KR102506933B1

KR102506933B1 - 연료전지 스택 및 그 조립방법

Info

Publication number: KR102506933B1
Application number: KR1020170169269A
Authority: KR
Inventors: 백석민; 금영범; 정귀성
Original assignee: 현대자동차 주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2023-03-07
Also published as: CN109904509B; DE102018119633A1; US20190181485A1; US10985396B2; KR20190068973A; CN109904509A

Abstract

연료전지 스택이 개시된다. 개시된 본 발명의 예시적인 일 실시 예에 따른 연료전지 스택은, ⅰ)최-외측의 집전 판 사이에 다수 매의 연료전지 셀들이 적층된 연료전지 집합체와, ⅱ)연료전지 셀들의 적층 방향으로 연료전지 집합체를 가압하며 밀봉하는 인클로저를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 스택 및 그 조립방법 {FUEL CELL STACK AND ASSEMBLY METHOD OF THE SAME}

본 발명의 실시 예는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인클로저를 통하여 연료전지 셀들을 밀봉 및 보호하는 연료전지 스택에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료전지 스택은 연료전지 셀들에 의한 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 장치로서, 일 예로 연료전지 차량에 적용되고 있다.

연료전지 스택은 수 백 단위의 연료전지(단위 셀) 셀들이 연속적으로 배열된 전기 발생 집합체이다. 연료전지는 막-전극 어셈블리(MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 분리판이 배치된 구성으로 이루어진다. 연료전지 스택은 가압된 상태에서 엔드 플레이트와 체결수단을 통해 체결될 수 있다.

이와 같은 연료전지 스택은 일 예로서, 연료전지 셀들을 적층하고, 그 적층된 연료전지 셀들을 최-외측의 엔드 플레이트를 사이에 두고 프레스로 가압하며, 체결수단을 통해 엔드 플레이트를 체결하는 공정을 거치며 모듈 형태로 조립될 수 있다. 더 나아가, 연료전지 스택은 엔드 플레이트 및 체결수단을 통해 연료전지 셀들을 체결한 스택 모듈을 인클로저를 통하여 밀봉하는 공정으로 조립될 수 있다.

여기서, 스택 모듈을 조립하는 종래 기술에서는 엔드 플레이트 사이에 적층된 연료전지 셀들을 프레스로 가압한 상태에서, 체결밴드를 최-외측의 엔드 플레이트에 볼트로 조립하거나 볼트 로드와 너트로만 최-외측의 엔드 플레이트를 체결하는 공정을 포함한다. 그리고 상기에서 엔드 플레이트는 연료전지 스택의 양쪽 끝 위치에서 반복 적층된 연료전지 셀들의 가압/절연 및 반응기체/냉각수의 입출입 기능을 수행한다.

그러나, 종래 기술에서는 엔드 플레이트와 체결수단을 이용하여 스택 모듈을 조립하고, 스택 모듈을 인클로저에 조립하는 공정을 거치므로, 전체적인 조립 공수 및 조립 부품이 증가할 수 밖에 없다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 연료전지 셀들을 보호하는 인클로저를 통해 연료전지 셀들을 가압 및 체결함으로써, 전체적인 조립 공수 및 조립 부품을 저감할 수 있도록 한 연료전지 스택 및 그의 조립방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택은, ⅰ)최-외측의 집전 판 사이에 다수 매의 연료전지 셀들이 적층된 연료전지 집합체와, ⅱ)상기 연료전지 셀들의 적층 방향으로 상기 연료전지 집합체를 가압하며 밀봉하는 인클로저를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 인클로저는 한쪽 면이 개방되고 다른 쪽 면들이 폐쇄된 하우징과, 상기 하우징의 개방 단을 폐쇄하는 커버를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 연료전지 집합체가 상기 개방 단을 통해 상기 연료전지 셀들의 적층 방향에 수직한 면 방향으로 상기 하우징에 삽입될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 하우징의 양 측판이 상기 연료전지 집합체의 가압 반력을 지지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 연료전지 집합체는 프레스 포크에 의해 가압된 상태로 상기 하우징의 내부에 삽입될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 양 측판의 내측 면에는 상기 프레스 포크의 가압 해제 및 외부 인출을 허용하는 포크 안내유닛이 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 하우징은 상기 연료전지 집합체의 양 측면으로서 상기 집전 판을 지지하며, 상기 연료전지 집합체의 가압 반력을 지지하는 일 방향 양 측판과, 상기 일 방향 양 측판과 연결되며, 상기 연료전지 집합체의 다른 양 측면을 지지하는 타 방향 양 측판과, 상기 일 방향 양 측판 및 타 방향 양 측판과 연결되며, 상기 연료전지 집합체의 삽입 방향 면을 지지하는 베이스 판을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 일 방향 양 측판은 상기 연료전지 집합체의 가압 반력이 작용하는 상기 집전 판을 지지하는 내측 지지 면과, 상기 내측 지지 면에 상기 연료전지 집합체의 삽입 방향을 따라 상기 하우징의 개방 단에서 폐쇄 단으로 이어지게 형성되는 복수 개의 포크 홈들을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 포크 홈은 상기 집전 판을 양측에서 가압하는 외팔 보 형태의 프레스 포크가 상기 하우징의 내부에서 상기 연료전지 셀들의 적층 방향으로 삽입 가능하게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 포크 홈은 상기 프레스 포크의 두께보다 더 큰 깊이로서 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 집전 판에는 집전 단자가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 내측 지지 면에는 상기 포크 홈과 평행하며, 상기 집전 단자가 삽입 가능한 단자 홈이 형성될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택은, ⅰ)상호 결합되는 하우징과 커버를 포함하는 인클로저와, ⅱ)상기 하우징의 내부에서 다수 매로 적층된 연료전지 셀들이 상기 하우징에 의해 적층 방향을 따라 설정된 압력으로 가압되는 연료전지 집합체를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 커버는 상기 하우징의 내부를 폐쇄할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 하우징은 상기 연료전지 집합체의 가압 반력을 상기 커버의 폐쇄 방향에 수직한 방향으로 지지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 하우징은 상기 커버가 결합되는 개방 단을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 연료전지 집합체는 프레스 포크에 의해 상기 연료전지 셀들의 적층 방향을 따라 가압된 상태로, 상기 개방 단을 통해 상기 연료전지 셀들의 적층 방향에 수직한 면 방향으로 상기 하우징에 삽입될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 하우징은 상기 연료전지 집합체의 가압 반력을 지지하는 양 측판을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 양 측판의 내측 면에는 상기 프레스 포크의 가압 해제 및 외부 인출을 허용하는 복수 개의 포크 홈들이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 포크 홈은 상기 연료전지 집합체의 삽입 방향을 따라 상기 하우징부의 개방 단에서 폐쇄 단으로 이어지게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 포크 홈은 상기 연료전지 집합체를 가압하는 외팔 보 형태의 상기 프레스 포크가 상기 하우징의 내부에서 상기 연료전지 셀들의 적층 방향으로 삽입 가능하게 형성될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택의 조립방법은, (a) 한쪽 면이 개방되고 다른 쪽 면들이 폐쇄된 하우징과, 상기 하우징의 개방 단에 결합될 수 있는 커버를 제공하는 과정과, (b) 최-외측의 집전 판 사이에 연료전지 셀들을 적층하고, 양측에서 상기 연료전지 셀들의 적층 방향을 따라 상기 집전 판을 프레스 포크로 가압하는 과정과, (c) 상기 프레스 포크에 의해 가압된 상기 집전판과 연료전지 셀들의 연료전지 집합체를 상기 개방 단을 통해 상기 연료전지 셀들의 적층 방향에 수직한 면 방향으로 상기 하우징의 내부에 삽입하는 과정을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택의 조립방법은, (d) 상기 프레스 포크의 가압을 해제하며, 상기 하우징 내측 면의 포크 홈에 상기 프레스 포크를 상기 연료전지 셀들의 적층 방향으로 삽입하고, 상기 프레스 포크를 상기 포크 홈을 통해 상기 하우징의 외부로 인출하는 과정을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택의 조립방법에 있어서, 상기 (a) 과정에서는 상기 집전 판에 대응하는 내 측면에 상기 프레스 포크의 두께보다 더 큰 깊이의 상기 포크 홈이 상기 연료전지 집합체의 삽입 방향을 따라 형성된 상기 하우징을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택의 조립방법에 있어서, 상기 (b) 과정에서 상기 프레스 포크는 상기 연료전지 집합체의 설정된 가압력 보다 더 큰 가압력으로 상기 집전 판을 가압할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택의 조립방법에 있어서, 상기 (c) 과정에서는 상기 연료전지 집합체의 삽입 방향을 따라 상기 포크 홈에 상기 프레스 포크를 일부 삽입할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택의 조립방법에 있어서, 상기 (d) 과정에서 상기 하우징의 내측 면은 상기 연료전지 집합체의 가압 반력을 지지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택의 조립방법은, 상기 (d) 과정 이후에, 상기 하우징의 개방 단을 상기 커버로 폐쇄하는 과정을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택의 조립방법에 있어서, 상기 하우징의 내측 면은 상기 연료전지 집합체의 가압 반력을 상기 커버의 폐쇄 방향에 수직한 방향으로 지지할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 연료전지 집합체를 밀봉하는 인클로저 자체로서 연료전지 집합체를 설정된 가압력으로 가압 및 체결할 수 있으므로, 연료전지 셀들을 별도로 가압 체결하기 위한 엔드 플레이트, 체결 밴드, 볼트 로드 및 너트 등과 같은 체결수단을 삭제할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 스택을 제조하는데 따른 전체적인 조립 공수 및 조립 부품을 저감할 수 있고, 연료전지 스택의 중량을 절감할 수 있다.

그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 일부 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 단면 구성도이다.
도 4 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택의 조립방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 단면 구성도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택(100)은 연료인 수소와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 단위 셀들의 집합 구조체로 구성된다.

예를 들면, 상기 연료전지 스택(100)은 연료전지 차량에 장착되며, 수소와 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 발생되는 전기 에너지로서 구동 모터(전기 모터 라고도 함) 등을 구동시킬 수 있다.

상기 연료전지 스택(100)은 다수 매의 연료전지 셀들이 적층 및 가압된 상태로 체결된 조립 구조를 갖는다. 본 발명의 실시 예에서는 전체적인 조립 공수 및 조립 부품을 저감할 수 있는 연료전지 스택(100)의 조립 구조를 제공한다.

이하에서는 도면을 기준으로 연료전지 스택(100)을 상하 방향으로 조립하는 예를 설명하기로 한다. 이하에서는 상측을 향하는 부분을 상부, 상면, 상단 및 상단 부로 정의하며, 하측을 향하는 부분을 하부, 하면, 하단 및 하단 부로 정의하기로 한다.

그러나, 상기와 같은 방향의 정의는 상대적인 의미로서, 연료전지 스택(100)의 조립 방향 및 조립 설비의 기준 위치 등에 따라서 그 방향이 달라질 수 있으므로, 상기한 방향이 본 실시 예의 기준 방향으로 반드시 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 스택(100)은 기본적으로, 연료전지 집합체(10) 및 인클로저(50)를 포함한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 연료전지 집합체(10)는 다수 매의 연료전지 셀(11)들과, 연료전지 셀(11)들을 사이에 두고 이의 최-외측에 배치되는 집전 판(15)을 포함한다.

상기 연료전지 셀(11)은 막 전극 어셈블리(MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 분리판이 배치된 단위 셀로 구비된다. 상기 집전 판(15)은 연료전지 셀(11)들에서 발생되는 전류를 집전하는 것으로, 다수 매로 적층된 연료전지 셀(11)들을 사이에 두고 그 연료전지 셀(11)들의 최-외측에 위치하며, 연료전지 셀(11)들과 전기적으로 연결된 엔드 구조물로 구비된다.

이러한 집전 판(15)에는 연료전지 셀(11)들로 수소와 공기를 공급하고, 연료전지 셀(11)들로부터 수소, 공기 및 물을 배출하는 통로를 형성할 수 있다. 그리고, 상기 집전 판(15)에는 그 집전 판(15)과 전기적으로 연결되는 집전 단자(17)가 설치될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 인클로저(50)는 연료전지 집합체(10)를 보호하기 위해 연료전지 집합체(10)를 밀봉하는 하우징 구조체로서, 연료전지 집합체(10)의 보호/지지/절연 등의 기능을 갖는 하우징 구조 부품이다. 예를 들면, 상기 인클로저(50)는 연료전지 차량의 차체에 장착될 수 있다.

상기 인클로저(50)는 연료전지 셀(11)들의 적층 방향으로 연료전지 집합체(10)를 설정된 가압력으로 가압하며 밀봉한다. 상기 인클로저(50)는 연료전지 집합체(10)의 최-외측 집전 판(15)을 연료전지 셀(11)들의 적층 방향으로 가압하며, 그 연료전지 셀(11)들의 적층 방향으로 작용하는 연료전지 집합체(10)의 가압 반력을 지지한다. 즉, 상기 인클로저(50)는 그 자체로서 내부에 수용된 연료전지 집합체(10)를 설정된 가압력으로 가압하는 강성을 보유하고 있다.

본 발명의 실시 예에서는 최-외측의 집전 판(15)을 양측에서 가압하며, 연료전지 셀(11)들을 압축하는 힘을 가압력으로 정의한다. 그리고 본 발명의 실시 예에서는 최-외측의 집전 판(15)에 작용하는 연료전지 셀(11)들의 압축 반력 즉, 연료전지 셀(11)들의 가압 방향에 반대되는 방향으로 작용하는 힘을 가압 반력으로 정의한다.

이와 같은 상기 인클로저(50)는 연료전지 집합체(10)를 밀봉하기 위해 상호 결합 가능한 하우징(61)과 커버(71)를 포함하고 있다.

상기 하우징(61)은 연료전지 집합체(10)를 내부에 수용하는 것으로서, 한쪽 면이 개방되고, 다른 쪽 면들이 폐쇄된 사각 함체 형태로 구비된다. 이하에서는 상기 하우징(61)의 개방된 부분을 개방 단(도면에서의 상단)이라고 한다.

이러한 하우징(61)은 연료전지 집합체(10)의 양 측면으로서 집전 판(15)을 지지하는 일 방향 양 측판(63)과, 그 일 방향 양 측판(63)과 연결되며 연료전지 집합체(10)의 다른 양 측면을 지지하는 타 방향 양 측판(65)과, 일 방향 양 측판(63)과 타 방향 양 측판(65)과 연결되는 베이스 판(67)을 포함한다.

상기에서 일 방향이라 함은 연료전지 셀(11)들의 적층 방향을 의미하고, 타 방향이라 함은 XY 평면에서 연료전지 셀(11)들의 적층 방향에 수직한 방향을 의미한다.

그리고 상기 연료전지 집합체(10)의 양 측면 및 다른 양 측면은 인클로저(50)에 의해 설정된 압력으로 가압된 연료전지 집합체(10)의 면들이다. 이에 상기 베이스 판(67)은 설정된 압력으로 가압된 연료전지 집합체(10)의 하면을 지지하는 것이다. 또한, 설정된 압력으로 가압된 연료전지 집합체(10)의 상면은 하우징(61)의 개방 단을 통해 노출된다. 이러한 상면에는 위에서 언급한 바 있는 집전 판(15)의 집전 단자(17)와 전기적으로 연결된 출력 단자(19)가 설치된다.

더 나아가, 상기 하우징(61)에는 고전압 부품으로서의 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터, 연료전지 집합체(10)의 매니폴드와 연결되는 매니폴드 블록, 출력 단자(19)와 전기적으로 연결되는 버스 바 등을 장착하고 있다. 이러한 COD 히터, 매니폴드 블록, 버스 바 등은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이와 같은 상기 하우징(61)에는 COD 히터, 매니폴드 블록 및 버스 바 등과 같은 주변 부품들을 장착하기 위한 플레이트, 블록, 칼라 등과 같은 각종 부속 요소들 및 차체와의 결합을 위한 마운팅 수단을 포함하고 있다.

이러한 각종 부속 요소들 및 마운팅 수단은 주변 부품들을 하우징(61)에 장착하고, 그 하우징(61)을 차체에 장착하기 위한 것이므로, 본 발명의 실시 예에서는 예외적인 경우를 제외하고 상기한 각종 부속 요소들 및 마운팅 수단을 하우징(61)으로 통칭한다.

상기에서 커버(71)는 내부에 연료전지 집합체(10)를 수용한 하우징(61)의 개방 단을 폐쇄하는 것으로, 그 개방 단에 결합 가능하게 구비된다. 즉, 상기 커버(71)는, 연료전지 집합체(10)를 내부에 수용하며 그 연료전지 집합체(10)를 가압하고 있는 하우징(61)의 개방 단에 결합될 수 있다.

이하에서는 상기 인클로저(50)에 대한 연료전지 집합체(10)의 조립 구조를 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 실시 예에서는, 최-외측의 집전 판(15) 사이에 연료전지 셀(11)들을 적층하고, 양측에서 집전 판(15)을 프레스 수단으로 연료전지 셀(11)들의 적층 방향으로 가압한 상태에서, 그 연료전지 셀(11)들과 집전 판(15)의 연료전지 집합체(10)를 하우징(61)의 개방 단을 통해 그 하우징(61)의 내부에 삽입할 수 있다.

여기서, 상기 연료전지 집합체(10)는 하우징(61)의 개방 단을 통해 연료전지 셀(11)들의 적층 방향에 수직한 면 방향으로 하우징(61)의 내부에 삽입된다. 여기서, 상기 연료전지 셀(11)들의 적층 방향에 수직한 면 방향이라 함은 가압된 연료전지 집합체(10)의 하면이 하우징(61)의 베이스 판(67)에 위치하는 방향(Z축 방향)을 의미한다. 이 경우 상기 베이스 판(67)은 연료전지 집합체(10)의 삽입 방향 면을 지지한다.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 프레스 수단에 의해 가압된 연료전지 집합체(10)를 연료전지 셀(11)들의 적층 방향에 수직한 면 방향으로 하우징(61)의 내부에 삽입한 상태에서, 프레스 수단의 프레스 압력을 제거한다. 그러면, 상기 하우징(61)의 일 방향 양 측판(63)은 연료전지 집합체(10)의 집전 판(15)을 지지하며 그 연료전지 집합체(10)의 가압 반력을 지지할 수 있다. 즉, 상기 일 방향 양 측판(63)은 연료전지 셀(11)들의 적층 방향으로 연료전지 집합체(10)를 가압하며, 그 연료전지 집합체(10)의 가압 반력이 작용하는 집전 판(15)을 지지할 수 있다.

여기서, 상기 프레스 수단은 예를 들면, 서로 마주하는 형태로 공압에 의해 가까워지거나 멀어지는 방향으로 이동하며, 연료전지 셀(11)들을 사이에 두고 집전 판(15)을 가압하는 프레스 포크(91)(이하 도 4 참조)를 포함할 수 있다.

상기 프레스 포크(91)는 양측에 각각 한 쌍으로 구비되며, 집전 판(15)을 지지하는 가압 면을 가진 설정된 두께의 포크 형태로 구비된다. 상기 프레스 포크(91)는 한쪽이 고정 단이고 다른 한쪽이 자유 단인 외팔 보 형태로 구비될 수 있다.

이러한 프레스 포크(91)는 프레스 압력이 인가되면, 양측에서 서로 가까워지는 방향으로 이동하며 연료전지 집합체(10)의 집전 판(15)을 가압할 수 있다. 그리고, 상기 프레스 포크(91)는 프레스 압력이 제거되면, 연료전지 집합체(10)의 가압 반력에 의해 서로 멀어지는 방향으로 이동하며 연료전지 집합체(10)의 가압을 해제할 수 있다.

상기에서 일 방향 양 측판(63)의 내측 면에는 연료전지 집합체(10)의 가압 반력이 작용하는 집전 판(15)을 지지하는 내측 지지 면(81)과, 프레스 포크(91)의 가압 해제 및 외부 인출을 허용하는 포크 안내유닛(85)이 구비된다.

상기 내측 지지 면(81)은 프레스 포크(91)의 프레스 가압 해제 시, 연료전지 집합체(10)의 집전 판(15)을 지지하며 그 연료전지 집합체(10)의 가압 반력을 지지할 수 있다. 즉, 상기 내측 지지 면(81)은 하우징(61)의 내부에서 연료전지 집합체(10)를 연료전지 셀(11)들의 적층 방향으로 가압하는 가압 면으로 구비될 수 있다.

상기 포크 안내유닛(85)은 프레스 포크(91)를 가이드 하는 가이드 유닛으로 구비된다. 상기 포크 안내유닛(85)은 내측 지지 면(81)에 연료전지 집합체(10)의 삽입 방향을 따라 하우징(61)의 개방 단에서 폐쇄 단으로 이어지게 형성되는 복수 개의 포크 홈(87)을 포함한다.

상기 포크 홈(87)은, 하우징(61)의 내부에서 연료전지 집합체(10)의 집전 판(15)을 양측에서 가압하고 있는 프레스 포크(91)의 프레스 가압 해제 시, 그 프레스 포크(91)가 연료전지 셀(11)들의 적층 방향으로 삽입 가능하게 형성된다.

이러한 포크 홈(87)은 프레스 포크(91)의 폭에 상응하는 폭을 갖거나 프레스 포크(91)의 폭보다 더 큰 폭을 가질 수 있고, 프레스 포크(91)의 두께 보다 더 큰 깊이로서 형성될 수도 있다.

여기서, 상기 프레스 포크(91)는 연료전지 집합체(10)를 가압한 상태로, 그 연료전지 집합체(10)를 하우징(61)의 내부에 삽입할 때, 포크 홈(87)을 벗어나며 하우징(61)의 내부로 삽입될 수 있다. 또한, 상기 프레스 포크(91)는 포크 홈(87)에 일부 삽입되며 그 포크 홈(87)을 따라 안내되면서 하우징(61)의 내부로 삽입될 수도 있다.

상기와 같이 하우징(61)의 내부에서 연료전지 집합체(10)의 집전 판(15)을 가압하고 있는 프레스 포크(91)의 프레스 가압이 해제할 때, 하우징(61)의 일 방향 양 측판(63)은 내측 지지 면(81)을 통해 연료전지 집합체(10)의 가압 반력을 지지한다. 이에 상기 하우징(61)의 일 방향 양 측판(63)은 내측 지지 면(81)을 통해 연료전지 집합체(10)의 가압 반력을 지지함에 따라, 연료전지 집합체(10)를 연료전지 셀(11)들의 적층 방향을 따라 실질적으로 가압하는 가압 판의 기능을 하게 된다.

한편, 상기 인클로저(50)의 커버(71)는 연료전지 집합체(10)가 하우징(61)의 내부에 수용된 상태에서, 하우징(61)의 개방 단에 결합되며 그 하우징(61)의 내부를 폐쇄한다.

이 경우, 상기 하우징(61)의 일 방향 양 측판(63)은 연료전지 집합체(10)의 가압 반력을 커버(71)의 폐쇄 방향에 수직한 방향으로 지지하며, 그 연료전지 집합체(10)를 연료전지 셀(11)들의 적층 방향으로 가압할 수 있다.

더 나아가, 상기한 바와 같은 하우징(61)의 일 방향 양 측판(63)에 있어, 내측 지지 면(81)에는 위에서 언급한 바 있는 집전 단자(17)가 삽입 가능한 단자 홈(89)을 형성하고 있다. 이러한 단자 홈(89)은 포크 홈(87)과 평행하게 하우징(61)의 개방 단에서 폐쇄 단으로 이어지게 형성된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택(100)의 조립방법을 앞서 개시한 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 4 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택의 조립방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 우선 본 발명의 실시 예에서는 한쪽 면(상단)이 개방되고 다른 쪽 면들이 폐쇄된 하우징(61)과, 그 하우징(61)의 개방 단에 결합 가능한 커버(71)를 포함하는 인클로저(50)를 제공한다.

여기서, 상기 하우징(61)의 일 방향 양 측판(63)은 내측 지지 면(81)을 형성하고 있으며, 그 내측 지지 면(81)에는 포크 홈(87)과 단자 홈(89)이 하우징(61)의 개방 단에서 폐쇄 단으로 이어지게 형성되어 있다.

그리고 나서, 본 발명의 실시 예에서는 서로 마주하는 한 쌍의 집전 판(15) 사이에 연료전지 셀(11)들을 적층(배열)하고, 프레스 수단의 프레스 포크(91)로 양측에서 집전 판(15)을 연료전지 셀(11)들의 적층 방향으로 가압한다.

이 상태에서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 프레스 포크(91)에 의해 가압된 연료전지 셀(11)들과 집전 판(15)의 연료전지 집합체(10)를 하우징(61)의 개방 단을 통해 하우징(61)의 내부로 삽입한다. 본 발명의 실시 예에서는 프레스 포크(91)를 통해 연료전지 집합체(10)를 연료전지 셀(11)들의 적층 방향에 수직한 면 방향으로 하우징(61)의 내부에 삽입한다. 여기서, 상기 연료전지 집합체(10)는 프레스 포크(91)의 가압력에 의해 압축되며 그 압축 반력(가압 반력)을 프레스 포크(91)에 작용하고 있다.

여기서, 상기 프레스 포크(91)는 연료전지 집합체(10)와 함께 하우징(61)의 내부에 삽입되는데, 도 5에 도시된 바와 같이 일 방향 양 측판(63)의 포크 홈(87)을 벗어나며 하우징(61)의 내부에 삽입될 수 있다. 그리고, 상기 프레스 포크(91)는 도 6에 도시된 바와 같이 포크 홈(87)에 연료전지 셀(11)들의 적층 방향을 따라 일부 두께만큼 삽입되며 하우징(61)의 내부에 삽입될 수도 있다. 또한, 상기 프레스 포크(91)는 도 7에 도시된 바와 같이 포크 홈(87)에 연료전지 셀(11)들의 적층 방향을 따라 전 두께만큼 삽입되며 하우징(61)의 내부에 삽입될 수도 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에서는 프레스 포크(91)를 통해 연료전지 집합체(10)를 설정된 가압력 보다 큰 가압력으로 집전 판(15)을 가압한다. 그 이유는 하기에서와 같이 프레스 포크(91)의 가압을 해제하였을 때, 연료전지 집합체(10)가 설정된 가압력으로 가압된 상태를 유지케 하기 위함이다.

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 하우징(61)의 내부에서 프레스 포크(91)의 프레스 가압을 해제한다. 그러면, 상기 프레스 포크(91)는 연료전지 집합체(10)의 가압 반력에 의해 서로 멀어지는 방향으로 이동하며, 연료전지 집합체(10)의 가압을 해제할 수 있다.

이 경우, 상기 프레스 포크(91)는 도 8에 도시된 바와 같이, 하우징(61)의 내부에서 일 방향 양 측판(63)의 포크 홈(87)에 연료전지 셀(11)들의 적층 방향으로 삽입된다. 이 과정에, 상기 집전 판(15)의 집전 단자(17)는 일 방향 양 측판(63)의 단자 홈(89)에 삽입된다.

이에 따라, 상기 하우징(61)의 일 방향 양 측판(63)은 내측 지지 면(81)을 통해 연료전지 집합체(10)의 가압 반력을 지지한다. 상기 양 측판(63)의 내측 지지 면(81)은 집전 판(15)을 지지하며, 연료전지 집합체(10)의 가압 반력을 지지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에서는 하우징(61)의 일 방향 양 측판(63)을 통하여 연료전지 집합체(10)를 연료전지 셀(11)들의 적층 방향을 따라 설정된 가압력으로 가압할 수 있다.

그리고 나서, 본 발명의 실시 예에서는 도 9에 도시된 바와 같이, 프레스 포크(91)를 내측 지지 면(81)의 포크 홈(87)을 통해 외부로 인출하고, 연료전지 집합체(10)에 출력 단자(19)와 같은 부품들을 장착한 상태에서, 커버(71)를 하우징(61)의 개방 단에 결합하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택(100)의 조립이 완료된다.

이 경우, 상기 하우징(61)의 일 방향 양 측판(63)은 연료전지 집합체(10)의 가압 반력을 커버(71)의 폐쇄 방향에 수직한 방향으로 지지하며, 그 연료전지 집합체(10)를 연료전지 셀(11)들의 적층 방향으로 가압하고 있다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택(100) 및 그의 조립방법에 의하면, 연료전지 집합체(10)를 밀봉하는 인클로저(50) 자체로서 연료전지 집합체(10)를 설정된 가압력으로 가압 및 체결하는 연료전지 스택(100)을 제공할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 셀들을 별도로 가압 체결하기 위한 엔드 플레이트, 체결 밴드, 볼트 로드 및 너트 등과 같은 체결수단을 삭제할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 스택(100)을 제조하는데 따른 전체적인 조립 공수 및 조립 부품을 저감할 수 있고, 연료전지 스택의 중량을 절감할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

10: 연료전지 집합체
11: 연료전지 셀
15: 집전 판
17: 집전 단자
19: 출력 단자
50: 인클로저
61: 하우징
63: 일 방향 양 측판
65: 타 방향 양 측판
67: 베이스 판
71: 커버
81: 내측 지지 면
85: 포크 안내유닛
87: 포크 홈
89: 단자 홈
91: 프레스 포크

Claims

최-외측의 집전 판 사이에 다수 매의 연료전지 셀들이 적층된 연료전지 집합체와,
상기 연료전지 셀들의 적층 방향으로 상기 연료전지 집합체를 가압하며 밀봉하는 인클로저를 포함하고,
상기 인클로저는 한쪽 면이 개방되고 다른 쪽 면들이 폐쇄된 하우징과, 상기 하우징의 개방 단을 폐쇄하는 커버를 포함하며,
상기 연료전지 집합체는 상기 개방 단을 통해 상기 연료전지 셀들의 적층 방향에 수직한 면 방향으로 상기 하우징에 삽입되되, 프레스 포크에 의해 가압된 상태로 상기 하우징의 내부에 삽입되고,
상기 하우징의 양 측판은, 상기 프레스 포크를 삽입하고 상기 연료전지 집합체의 가압 반력을 지지하도록, 상기 연료전지 집합체의 삽입 방향을 따라 상기 하우징의 개방 단에서 폐쇄 단으로 이어지는 복수 개의 포크 홈들이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
제1 항에 있어서,
상기 양 측판의 내측 면에는 상기 프레스 포크의 가압 해제 및 외부 인출을 허용하는 포크 안내유닛이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
제1 항에 있어서,
상기 하우징은,
상기 연료전지 집합체의 양 측면으로서 상기 집전 판을 지지하며, 상기 연료전지 집합체의 가압 반력을 지지하는 일 방향 양 측판과,
상기 일 방향 양 측판과 연결되며, 상기 연료전지 집합체의 다른 양 측면을 지지하는 타 방향 양 측판과,
상기 일 방향 양 측판 및 타 방향 양 측판과 연결되며, 상기 연료전지 집합체의 삽입 방향 면을 지지하는 베이스 판
을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
제3 항에 있어서,
상기 일 방향 양 측판은 상기 연료전지 집합체의 가압 반력이 작용하는 상기 집전 판을 지지하는 내측 지지 면을 포함하며,
상기 복수 개의 포크 홈들은 상기 내측 지지 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
제4 항에 있어서,
상기 포크 홈은,
상기 집전 판을 양측에서 가압하는 외팔 보 형태의 프레스 포크가 상기 하우징의 내부에서 상기 연료전지 셀들의 적층 방향으로 삽입 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
제4 항에 있어서,
상기 포크 홈은,
상기 프레스 포크의 두께보다 더 큰 깊이로서 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
제4 항에 있어서,
상기 집전 판에는 집전 단자가 설치되되,
상기 내측 지지 면에는 상기 포크 홈과 평행하며, 상기 집전 단자가 삽입 가능한 단자 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
상호 결합되는 하우징과 커버를 포함하는 인클로저와,
상기 하우징의 내부에서 다수 매로 적층된 연료전지 셀들이 상기 하우징에 의해 적층 방향을 따라 설정된 압력으로 가압되는 연료전지 집합체를 포함하며,
상기 커버는 상기 하우징의 내부를 폐쇄하고, 상기 하우징은 상기 연료전지 집합체의 가압 반력을 상기 커버의 폐쇄 방향에 수직한 방향으로 지지하며,
상기 연료전지 집합체는 프레스 포크에 의해 상기 연료전지 셀들의 적층 방향을 따라 가압된 상태로 상기 하우징에 삽입되고,
상기 하우징은 상기 연료전지 집합체의 가압 반력을 지지하는 양 측판을 포함하며,
상기 양 측판의 내측 면에는 상기 프레스 포크의 가압 해제 및 외부 인출을 허용하는 복수 개의 포크 홈들이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
제8 항에 있어서,
상기 하우징은 상기 커버가 결합되는 개방 단을 형성하며,
상기 연료전지 집합체는 상기 개방 단을 통해 상기 연료전지 셀들의 적층 방향에 수직한 면 방향으로 상기 하우징에 삽입되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
삭제
제8 항에 있어서,
상기 포크 홈은,
상기 연료전지 집합체의 삽입 방향을 따라 상기 하우징부의 개방 단에서 폐쇄 단으로 이어지게 형성되며,
상기 연료전지 집합체를 가압하는 외팔 보 형태의 상기 프레스 포크가 상기 하우징의 내부에서 상기 연료전지 셀들의 적층 방향으로 삽입 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
(a) 한쪽 면이 개방되고 다른 쪽 면들이 폐쇄된 하우징과, 상기 하우징의 개방 단에 결합될 수 있는 커버를 제공하는 과정과,
(b) 측의 집전 판 사이에 연료전지 셀들을 적층하고, 양측에서 상기 연료전지 셀들의 적층 방향을 따라 상기 집전 판을 프레스 포크로 가압하는 과정과,
(c) 상기 프레스 포크에 의해 가압된 상기 집전판과 연료전지 셀들의 연료전지 집합체를 상기 개방 단을 통해 상기 연료전지 셀들의 적층 방향에 수직한 면 방향으로 상기 하우징의 내부에 삽입하는 과정과,
(d) 상기 프레스 포크의 가압을 해제하며, 상기 하우징 내측 면의 포크 홈에 상기 프레스 포크를 상기 연료전지 셀들의 적층 방향으로 삽입하고, 상기 프레스 포크를 상기 포크 홈을 통해 상기 하우징의 외부로 인출하는 과정
을 포함하는 연료전지 스택의 조립방법.
삭제
제12 항에 있어서,
상기 (a) 과정에서는,
상기 집전 판에 대응하는 내 측면에 상기 프레스 포크의 두께보다 더 큰 깊이의 상기 포크 홈이 상기 연료전지 집합체의 삽입 방향을 따라 형성된 상기 하우징을 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 조립방법.
제12 항에 있어서,
상기 (b) 과정에서,
상기 프레스 포크는 상기 연료전지 집합체의 설정된 가압력 보다 더 큰 가압력으로 상기 집전 판을 가압하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 조립방법.
제12 항에 있어서,
상기 (c) 과정에서는,
상기 연료전지 집합체의 삽입 방향을 따라 상기 포크 홈에 상기 프레스 포크를 일부 두께 혹은 전 두께만큼 삽입하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 조립방법.
제12 항에 있어서,
상기 (d) 과정에서,
상기 하우징의 내측 면은 상기 연료전지 집합체의 가압 반력을 지지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 조립방법.
제17 항에 있어서,
상기 (d) 과정 이후에,
상기 하우징의 개방 단을 상기 커버로 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 조립방법.
제18 항에 있어서,
상기 하우징의 내측 면은 상기 연료전지 집합체의 가압 반력을 상기 커버의 폐쇄 방향에 수직한 방향으로 지지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 조립방법.