KR101887704B1 - Fastning apparatus for fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비교적 간단한 구성으로 저온에서도 연료전지 스택의 체결압 혹은 기밀이 확보되도록 열수축을 보상해줄 수 있도록 함으로써, 온도 변화에도 불구하고 항상 적절한 연료전지 스택의 체결력을 유지하여, 저온 성능 및 냉시동성을 포함한 안정된 연료전지 스택의 작동성 및 내구성을 확보할 수 있도록 한다.The present invention can compensate heat shrinkage so that the tightening pressure or airtightness of the fuel cell stack can be ensured even at a low temperature by a relatively simple structure, so that the proper fastening force of the fuel cell stack can be maintained at all times despite the temperature change, Thereby ensuring the operability and durability of the stable fuel cell stack including the fuel cell stack.

Description

연료전지 스택 체결장치{FASTNING APPARATUS FOR FUEL CELL STACK}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a fuel cell stack,

본 발명은 연료전지 스택의 구조에 관한 기술로서, 보다 상세하게는 연료전지 스택의 단위 셀들을 적층 상태로 체결하는 장치에 관한 기술이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a fuel cell stack, and more particularly, to a device for fastening unit cells of a fuel cell stack in a stacked state.

연료전지 스택은 연료전지 단위셀이 수백장 적층되어 이루어지며, 단위셀 간의 전기 전도도와 반응기체 및 냉각수의 기밀을 유지하기 위해 적절한 압력으로 체결되어야 한다. 이 때 체결압력이 지나치게 높으면 연료전지 내부의 반응기체 및 냉각수가 흘러가는 유로가 좁아져 연료전지 성능이 저하되며, 반대로 지나치게 낮으면 기밀성과 전기 전도도가 떨어지게 되어 역시 연료전지 성능이 저하된다.
The fuel cell stack is made up of hundreds of fuel cell unit cells and must be tightened with appropriate pressure to maintain the electrical conductivity of the unit cells and the air tightness of the reaction gas and cooling water. At this time, if the tightening pressure is too high, the flow path of the reaction gas and the cooling water in the fuel cell becomes narrow to degrade the performance of the fuel cell. Conversely, if too low, the airtightness and the electric conductivity decrease.

연료전지의 일반적인 작동온도는 섭씨 65도~85도 사이이며, 따라서 연료전지를 구성하는 부품들은 시동 시 상온에서 작동온도까지의 온도 변화와 온도 변화에 수반되는 열팽창/수축을 피할 수 없다. 특히 동절기에는 온도 변화의 폭이 더욱 크며 이에 따른 스택 체결력의 변화도 커지게 된다.
The typical operating temperature of the fuel cell is between 65 and 85 degrees Celsius, so that the components constituting the fuel cell can not avoid the temperature change from normal temperature to the operating temperature at startup and the thermal expansion / contraction accompanying the temperature change. Especially during the winter season, the width of the temperature change is larger and the change of the stacking force is also increased.

앞서 기술한 대로 연료전지 스택의 성능과 내구성을 위해서, 스택의 체결압은 온도에 상관없이 적절한 수준을 유지해야 하나, 작동온도 (약 80C)와 겨울철 외기 (약 -20C)에서 재질의 열팽창/수축 차이로 인해 모든 온도 구간에서 체결압을 유지하기가 어렵다.
As described above, for the performance and durability of the fuel cell stack, the stacking pressure should be maintained at an appropriate level irrespective of the temperature, but the thermal expansion / contraction of the material at the operating temperature (about 80C) Due to the difference, it is difficult to maintain the tightening pressure in all temperature ranges.

즉, 작동온도에서 적절한 체결압을 유지하도록 설계된 체결기구는, 저온에서는 연료전지 스택을 구성하는 물질(특히 가스켓)의 체결기구(스틸 밴드)보다 큰 열수축으로 인해 기밀이 확보되지 못하는 등의 문제를 야기한다.
That is, the tightening mechanism designed to maintain an appropriate tightening pressure at the operating temperature has the problem that the airtightness can not be secured due to heat shrinkage greater than the fastening mechanism (steel band) of the material (particularly the gasket) constituting the fuel cell stack at low temperatures It causes.

도 1은 종래의 스택 체결구조에서 온도 변화에 따른 누설 발생의 문제점을 표현한 것으로서, 체결기구인 밴드(502)로 스택(500)의 적층 상태를 유지하면서 체결하고 있지만, 온도가 낮아지면, 밴드(502) 보다 스택(500)의 열 수축량이 커지면서 체결력이 저하되어 누설이 발생하는 것을 설명하고 있다.
FIG. 1 illustrates a problem of leakage occurring due to a temperature change in a conventional stacked fastening structure. The stack 502 is fastened while maintaining the stacked state of the stack 500. However, when the temperature is lowered, 502, the amount of heat shrinkage of the stack 500 is increased, and the tightening force is lowered to cause leakage.

상기의 발명의 배경이 되는 기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.It will be appreciated that those skilled in the art will appreciate that the described embodiments are provided merely for the purpose of promoting an understanding of the background of the present invention, It will not.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 비교적 간단한 구성으로 저온에서도 연료전지 스택의 체결압 혹은 기밀이 확보되도록 열수축을 보상해줄 수 있도록 함으로써, 온도 변화에도 불구하고 항상 적절한 연료전지 스택의 체결력을 유지하여, 저온 성능 및 냉시동성을 포함한 안정된 연료전지 스택의 작동성 및 내구성을 확보할 수 있도록 한 연료전지 스택 체결장치를 제공함에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell stack which can always compensate for heat shrinkage so that the tightening pressure or airtightness of the fuel cell stack can be secured even at a low temperature, And it is an object of the present invention to provide a fuel cell stack fastening device capable of maintaining a fastening force of a stack and securing the operability and durability of a stable fuel cell stack including low temperature performance and cold static electricity.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 연료전지 스택 체결장치는According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel cell stack fastening apparatus comprising:

스택의 적층방향 양단을 규제할 수 있도록 설치되는 체결부재와;A fastening member provided so as to regulate both ends of the stack in the stacking direction;

상기 체결부재와 스택 사이에 개재되어 온도의 저감에 따라 상기 스택의 적층방향을 따른 길이의 증가를 제공하여 상기 스택의 수축량을 보충할 수 있도록 설치된 온도저감신장수단;A temperature reducing / stretching means interposed between the fastening member and the stack to provide an increase in length along the stacking direction of the stack as the temperature is lowered to supplement the shrinkage amount of the stack;

을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.And a control unit.

본 발명은 비교적 간단한 구성으로 저온에서도 연료전지 스택의 체결압 혹은 기밀이 확보되도록 열수축을 보상해줄 수 있도록 함으로써, 온도 변화에도 불구하고 항상 적절한 연료전지 스택의 체결력을 유지하여, 저온 성능 및 냉시동성을 포함한 안정된 연료전지 스택의 작동성 및 내구성을 확보할 수 있도록 한다.The present invention can compensate heat shrinkage so that the tightening pressure or airtightness of the fuel cell stack can be ensured even at a low temperature by a relatively simple structure, so that the proper fastening force of the fuel cell stack can be maintained at all times despite the temperature change, Thereby ensuring the operability and durability of the stable fuel cell stack including the fuel cell stack.

도 1은 종래 기술에 의한 스택 체결구조의 문제점을 설명한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택 체결장치의 개념 및 작용 효과를 설명한 도면,
도 3 내지 도 5는 도 2의 온도저감신장수단의 예를 각각 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view for explaining a problem of a conventional stacking structure,
2 is a view for explaining the concept and operational effects of the fuel cell stack fastening apparatus according to the present invention,
Figs. 3 to 5 are views each showing an example of the temperature reducing and stretching means of Fig. 2,
6 is a view showing another embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명 연료전지 스택 체결장치의 실시예는, 스택(1)의 적층방향 양단을 규제할 수 있도록 설치되는 체결부재(3)와; 상기 체결부재(3)와 스택(1) 사이에 개재되어 온도의 저감에 따라 상기 스택(1)의 적층방향을 따른 길이의 증가를 제공하여 상기 스택(1)의 수축량을 보충할 수 있도록 설치된 온도저감신장수단(5)을 포함하여 구성된다.
Referring to FIG. 2, the embodiment of the fuel cell stack fastening apparatus of the present invention includes: a fastening member 3 provided so as to regulate both ends in the stacking direction of the stack 1; The stack 1 is interposed between the fastening member 3 and the stack 1 to provide an increase in length along the stacking direction of the stack 1 as the temperature is lowered to compensate for the shrinkage of the stack 1, And a reduction elongation means (5).

즉, 온도가 하강하여 스택(1)이 수축하는 만큼 상기 온도저감신장수단(5)의 길이가 증가하여 상기 체결부재(3)와 스택(1) 사이의 압력을 일정한 수준으로 유지할 수 있도록 함으로써, 연료전지 스택(1)의 체결압 및 기밀이 확보되도록 열수축이 보상되어, 연료전지 스택(1)의 저온 성능 및 냉시동성을 포함한 안정된 작동성 및 내구성을 확보할 수 있도록 하는 것이다.
That is, the length of the temperature reducing and stretching means 5 increases as the temperature decreases and the stack 1 shrinks, so that the pressure between the fastening member 3 and the stack 1 can be maintained at a constant level, The heat shrinkage is compensated for ensuring the tightening pressure and the airtightness of the fuel cell stack 1 so that the stable operation and durability of the fuel cell stack 1 including the low temperature performance and the cold startability can be ensured.

상기 온도저감신장수단(5)은 온도가 하강함에 따라 부피가 팽창하는 NTE(Negative Thermal Expansion)물질과, 상기 NTE물질의 온도에 따른 부피 변화를 상기 체결부재(3)와 스택(1) 사이의 길이 변화로 제공할 수 있도록, 상기 NTE물질을 사이에 두고 서로 대응되게 배치되는 상호운동부재(9)를 포함하여 구성된다.
The temperature lowering and stretching means 5 includes a negative thermal expansion (NTE) material that expands in volume as the temperature decreases, and a negative thermal expansion (NTE) material that changes in volume with the temperature of the NTE material between the fastening member 3 and the stack 1 And a mutual motion member (9) disposed so as to correspond to each other with the NTE material interposed therebetween so as to provide a change in length.

즉, 상기 NTE물질(7)은 통상의 물질과 반대로 온도가 하강함에 따라 오히려 부피가 증가하므로, 이러한 현상을 이용하여 상기 스택(1)의 체결력을 지속적으로 유지할 수 있도록 하는 것이다.
That is, since the volume of the NTE material 7 increases as the temperature is lowered as opposed to a normal material, the fastening force of the stack 1 can be continuously maintained by using this phenomenon.

도 3의 실시예에서, 상기 NTE물질(7)은 물이고, 상기 상호운동부재(9)는 상기 물을 밀폐하면서, 상기 물의 부피 변화에 따라 상호간의 상대 위치가 변화하도록 설치된 피스톤(9-1)과 실린더(9-2)로 이루어진 구성이다.
In the embodiment of Fig. 3, the NTE material 7 is water, and the mutual motion member 9 is provided with a piston 9-1 so as to seal the water, And a cylinder 9-2.

이 실시예의 경우에는 특히 상기 물이 녹았을 때 물의 밀폐성이 유지될 수 있도록 상기 피스톤(9-1)과 실린더(9-2)를 구성해야 한다.
In the case of this embodiment, the piston 9-1 and the cylinder 9-2 must be constituted so that the hermeticity of the water can be maintained especially when the water is melted.

도 4는 다른 실시예로서, 상기 NTE물질(7)은 Cubic Zirconium Tungstate (ZrW2O8)이고, 상기 상호운동부재(9)는 상기 NTE물질(7)을 수용하는 실린더(9-2)와, 상기 실린더(9-2)에 대하여 직선 슬라이딩 운동할 수 있도록 설치되는 피스톤(9-1)으로 이루어진 구조로서, 상기 NTE물질(7)로 물을 사용한 경우와는 달리 누출의 염려는 없으므로, 상기 실린더(9-2)와 피스톤(9-1)은 밀폐성의 구현에 대한 제약이 없거나 적어질 수 있다.
FIG. 4 shows another embodiment in which the NTE material 7 is a Cubic Zirconium Tungstate (ZrW 2 O 8 ), the mutual motion member 9 comprises a cylinder 9-2 for containing the NTE material 7, And a piston 9-1 installed to be able to linearly slide on the cylinder 9-2. Unlike the case of using water as the NTE material 7, there is no fear of leakage, The cylinder 9-2 and the piston 9-1 can have no restriction on the implementation of hermeticity or can be reduced.

도 5의 실시예에서, 상기 온도저감신장수단(5)은 온도가 하강함에 따라 상대적으로 열수축율이 작은 물질로 이루어진 다수의 제1링크(11)를 X자로 연결한 링크기구(13)와, 온도가 하강함에 따라 상대적으로 열수축율이 큰 물질로 이루어져 상기 링크기구(13)의 X자 양단을 연결하도록 설치된 제2링크(15)를 포함한 구성이다.
5, the temperature reducing means 5 comprises a link mechanism 13 having a plurality of first links 11 made of a material having a relatively low heat shrinkage as the temperature decreases, And a second link (15) made of a material having a relatively high heat shrinkage factor as the temperature is lowered and installed to connect the X-shaped ends of the link mechanism (13).

특히, 본 실시예에서, 상기 링크기구(13)의 X자는 스택(1)의 적층방향을 따라 연쇄적으로 연결되고, 상기 제2링크(15)는 상기 링크기구(13)의 연쇄적 연결 방향에 수직하게 연결되며; 상기 링크기구(13)의 연쇄적 연결 방향 양단에는 각각 상기 링크기구(13)의 길이변화를 상기 체결부재(3)와 스택(1)으로 전달하는 상호운동부재(9)가 구비된 구조이다.
Particularly, in this embodiment, the X-character of the link mechanism 13 is cascade-connected along the stacking direction of the stack 1, and the second link 15 is connected to the cascade connection direction of the link mechanism 13 Lt; / RTI > At both ends of the link mechanism 13 in the cascade connection direction, a mutual movement member 9 for transmitting a change in length of the link mechanism 13 to the fastening member 3 and the stack 1 is provided.

따라서, 온도가 저하하면, 상기 제2링크(15)가 수축하는 길이에 비하여 상기 제1링크(11)가 수축하는 길이가 작아서, 결과적으로는 도 5의 좌측 상태로부터 우측 상태와 같이 링크기구(13)의 연쇄적 연결방향을 따라 길이가 길어지게 되어, 스택(1)의 수축량을 보상할 수 있게 되는 것이다.
Therefore, when the temperature is lowered, the length of the first link 11 contracted by the second link 15 is smaller than the length of the second link 15 contracted. As a result, the link mechanism The length of the stacking direction of the stack 1 becomes longer along the cascade connection direction of the stack 1, thereby making it possible to compensate the shrinkage amount of the stack 1.

물론, 상기 링크기구(13)는 상기한 바와 같이 X자를 이루는 2개의 제1링크(11)와 1개의 제2링크(15) 만으로도 상기한 바와 같은 온도저감에 따른 길이 증대의 효과를 얻을 수 있으며, 상기한 바와 같이 연쇄적으로 연결하여 구성할 수도 있다.
Of course, the link mechanism 13 can obtain the effect of increasing the length according to the temperature reduction as described above even if only two first links 11 and one second link 15 are formed in the X-shape as described above Or may be connected in a cascade manner as described above.

한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예를 설명한 것으로서, 스택(1)의 적층방향 양단을 규제할 수 있도록 설치되는 체결부재(3)와; 상기 체결부재(3)와 스택(1) 사이에 개재되어 제공되는 전기에 따라 상기 스택(1)의 적층방향을 따른 길이의 증가를 제공하여 상기 스택(1)의 수축량을 보충할 수 있도록 설치된 압전소자(17)를 포함하여 구성되는 것이다.
6 illustrates another embodiment of the present invention, which includes a fastening member 3 provided so as to regulate both ends in the stacking direction of the stack 1; The stack 1 is provided with an increase in length along the stacking direction of the stack 1 in accordance with electricity provided between the fastening member 3 and the stack 1, And a device (17).

상기 압전소자(17)에는 상기 압전소자(17)의 길이 변화를 상기 체결부재(3)와 스택(1)으로 전달할 수 있도록 상호 이격되거나 접근될 수 있도록 상호운동부재(9)가 연결되고, 상기 압전소자(17)는 상기 상호운동부재(9)를 통해 전기를 공급받도록 구성되어 있다.
The mutual motion member 9 is connected to the piezoelectric element 17 so that the change in length of the piezoelectric element 17 can be separated or accessed so as to transmit the change in length to the coupling member 3 and the stack 1, The piezoelectric element 17 is configured to receive electricity supplied through the mutual motion member 9.

따라서, 온도 변화에 따라 컨트롤러 등이 상기 압전소자(17)로 제공되는 전기를 조절하여, 상기 압전소자(17)의 길이 변화가 상기 스택(1)의 온도에 따른 적층방향 길이 변화를 보상하도록 할 수 있으며, 이 경우 매우 정밀한 체결압력 유지가 가능할 것이다.
Accordingly, the controller or the like adjusts the electric power supplied to the piezoelectric element 17 according to the temperature change so that the change in length of the piezoelectric element 17 compensates for the change in length in the stacking direction in accordance with the temperature of the stack 1 In this case, a very precise clamping pressure maintenance will be possible.

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 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the following claims It will be apparent to those of ordinary skill in the art.

1; 스택
3; 체결부재
5; 온도저감신장수단
7; NTE물질
9; 상호운동부재
9-1; 피스톤
9-2; 실린더
11; 제1링크
13; 링크기구
15; 제2링크
17; 압전소자One; stack
3; The fastening member
5; Temperature reduction elongation means
7; NTE material
9; Absence of mutual motion
9-1; piston
9-2; cylinder
11; The first link
13; Link mechanism
15; Second link
17; Piezoelectric element

Claims (9)

스택(1)의 적층방향 양단을 규제할 수 있도록 설치되는 체결부재(3)와;
상기 체결부재(3)와 스택(1) 사이에 개재되어 온도의 저감에 따라 상기 스택(1)의 적층방향을 따른 길이의 증가를 제공하여 상기 스택(1)의 수축량을 보충할 수 있도록 설치된 온도저감신장수단(5);을 포함하여 구성되고,
상기 온도저감신장수단(5)은
온도가 하강함에 따라 상대적으로 열수축율이 작은 물질로 이루어진 다수의 제1링크(11)를 X자로 연결한 링크기구(13)와;
온도가 하강함에 따라 상대적으로 열수축율이 큰 물질로 이루어져 상기 링크기구(13)의 X자 양단을 연결하도록 설치된 제2링크(15);
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.A fastening member 3 provided so as to regulate both ends of the stack 1 in the stacking direction;
The stack 1 is interposed between the fastening member 3 and the stack 1 to provide an increase in length along the stacking direction of the stack 1 as the temperature is lowered to compensate for the shrinkage of the stack 1, (5), wherein the reduction means (5)
The temperature reducing / stretching means (5)
A link mechanism 13 connecting a plurality of first links 11 made of a material having a relatively low heat shrinkage factor with an X-letter as the temperature is lowered;
A second link (15) made of a material having a relatively high heat shrinkage factor as the temperature is lowered to connect the X-shaped ends of the link mechanism (13);
Wherein the fuel cell stack fastening device comprises: 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 링크기구(13)의 X자는 스택(1)의 적층방향을 따라 연쇄적으로 연결되고;
상기 제2링크(15)는 상기 링크기구(13)의 연쇄적 연결 방향에 수직하게 연결되며;
상기 링크기구(13)의 연쇄적 연결 방향 양단에는 각각 상기 링크기구(13)의 길이변화를 상기 체결부재(3)와 스택(1)으로 전달하는 상호운동부재(9)가 구비된 것
을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.The method according to claim 1,
The X characters of the link mechanism 13 are cascade-connected along the stacking direction of the stack 1;
The second link (15) is connected perpendicular to the cascade connection direction of the link mechanism (13);
The link mechanism 13 is provided with a mutual movement member 9 for transmitting a change in length of the link mechanism 13 to the fastening member 3 and the stack 1,
Wherein the fuel cell stack fastening device is characterized in that: 스택(1)의 적층방향 양단을 규제할 수 있도록 설치되는 체결부재(3)와;
상기 체결부재(3)와 스택(1) 사이에 개재되어 제공되는 전기에 따라 상기 스택(1)의 적층방향을 따른 길이의 증가를 제공하여 상기 스택(1)의 수축량을 보충할 수 있도록 설치된 압전소자(17);를 포함하여 구성되고,
상기 압전소자(17)에는 상기 압전소자(17)의 길이 변화를 상기 체결부재(3)와 스택(1)으로 전달할 수 있도록 상호 이격되거나 접근될 수 있도록 상호운동부재(9)가 연결되고;
상기 압전소자(17)는 상기 상호운동부재(9)를 통해 전기를 공급받도록 구성된 것
을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.A fastening member 3 provided so as to regulate both ends of the stack 1 in the stacking direction;
The stack 1 is provided with an increase in length along the stacking direction of the stack 1 in accordance with electricity provided between the fastening member 3 and the stack 1, And a device (17)
The mutual motion member 9 is connected to the piezoelectric element 17 such that a change in the length of the piezoelectric element 17 can be separated or accessed so as to transfer the coupling member 3 and the stack 1;
The piezoelectric element 17 is configured to receive electricity supplied through the mutual motion member 9
Wherein the fuel cell stack fastening device is characterized in that: 삭제delete
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