KR20020056186A

KR20020056186A - 연료전지의 스택 조립구조

Info

Publication number: KR20020056186A
Application number: KR1020000085499A
Authority: KR
Inventors: 윤홍식; 김인규; 김혁덕; 박일권; 박명석; 이성환; 이명호; 황용준
Original assignee: 구자홍; 엘지전자주식회사
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2000-12-29
Publication date: 2002-07-10
Also published as: KR100700185B1

Abstract

본 발명은 연료전지의 스택 조립구조에 관한 것으로, 본 발명은 소정 형상의 수용공간이 구비된 적재케이스와, 상기 적재케이스 수용공간의 일측 내면에 지지되어 그 수용공간에 적재되는 다수개의 단위 전지와, 상기 수용공간의 일측 내면에 지지되는 단위 전지의 반대편 단위 전지에 접면되도록 상기 수용공간에 위치하는 누름판과, 상기 적재케이스에 관통되도록 나사 결합되어 상기 누름판이 수용공간에 적재된 다수개의 단위 전지를 압착하도록 그 누름판을 가압하는 가압 볼트와 상기 수용공간의 내면과 단위 전지사이 그리고 상기 누름판과 단위 전지사이에 각각 삽입되는 절연재를 포함하도록 구성하여 스택을 구성하는 다수개의 단위 전지가 일정한 압력으로 가압된 상태로 고정 결합함으로써 작동 중 수소가스와 산소가 누설되어 폭발하는 것을 방지하게 되어 안전성을 도모할 수 있고, 또한 스택의 조립 공정을 간단하게 함으로써 조립 생산성을 높일 수 있도록 한 것이다.

Description

연료전지의 스택 조립구조{STRUCTURE FOR ENGAGING STACK OF FUEL CELL}

본 발명은 연료전지의 스택 조립구조에 관한 것으로, 특히 다수개의 단위 전지에서 가스 및 연료의 누설을 방지할 뿐만 아니라 조립 공정을 간단하게 할 수 있도록 한 연료전지의 스택 조립구조에 관한 것이다.

현재 건물에서 사용하고 있는 전기에너지는 발전소에서 화력이나 수력 등에 의해 발전을 일으켜 발생되는 것이다. 그런데 현재 사용 중인 전기에너지를 발전소에서 얻기 위하여 발전소에서 기름이나 석탄을 연소시켜 그 열에너지를 전기에너지로 변환시켜 전기에너지를 얻게 되므로 사용되는 연료 에너지에 비해 발전 효율이 매우 낮다. 또한, 기름이나 석탄 등의 연료 에너지를 연소시키면서 발생되는 오염 물질에 의해 환경 오염을 유발시키게 된다.

따라서, 근래에는 에너지 효율이 우수할 뿐만 아니라 환경 친화적으로 전기에너지를 발생시키는 연료전지가 개발되고 있다. 상기 연료전지는 외부로부터 연속적으로 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 연료가 가진 화학 에너지를 직접 전기에너지로 발전시키는 장치이다. 이와 같은 연료전지는 연료를 공급받아 수소가스를 발생시키는 개질기와 그 개질기에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택으로 구성되는 형태와, 또한 연료와 물과 산소가 스택으로 바로 공급되어 그 연료에서 공급되는 수소와 산소의 전기화학반응으로 스택에서 전기와 열을 발생시키는 형태 등이 있다.

상기 스택은 전기를 발생시키는 단위 전지가 다수개 적층된 형태로 이루어지며, 상기 단위 전지의 구성은, 도 1에 도시한 바와 같이, 소정의 면적을 갖는 전해질막(11)의 양측면에 각각 전극을 구성하는 코팅막(12)(13)이 도포된 엠이에이(MEA; Membrane Electrode Assembly)(10)와, 소정의 면적을 가지며 그 양측면 또는 일측면에 유체가 유동하는 유로홈(F)이 형성되어 상기 엠이에이(10)의 양측에 각각 위치하는 세퍼레이터(20)(30)와, 상기 엠이에이(10)와 세퍼레이터(20)(30)사이에 위치하여 상기 유로홈(F)으로 유동하는 유체의 유동을 촉진시키는 디퓨젼 플레이트(40)를 포함하여 구성된다. 이때, 일측 세퍼레이터(20)의 유로홈(F)에 수소가스(H₂)(또는 연료)가 공급됨과 아울러 그와 접촉되는 엠이에이(10)의 코팅막(12)이 연료극(Anode; 일명, 산화전극)이 되고, 타측 세퍼레이터(30)의 유로홈(F)에 공기가 공급됨과 아울러 그와 접촉되는 엠이에이(10)의 코팅막(13)이 공기극(Cathode; 일명, 환원전극)이 된다.

미설명 부호 50은 실링재이다.

상기한 바와 같은 단위 전지의 작용은 다음과 같다.

도 2는 상기 단위 전지를 개념적으로 도시한 것으로, 이를 참조하여 설명하면, 수소가스(H₂) 또는 연료가 연료극(12)측의 유로홈(F)에 공급됨과 동시에 상기 공기극(13)측의 유로홈(F)에 공기가 공급되면 상기 연료극(12)에서 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H⁺과 전자 e^-로 이온화되면서 산화된다. 그 이온화된 수소 이온은 전해질막(11)을 통해 반대편 공기극(13)으로 이동하게 되고 아울러전자는 연료극(12)을 통해 이동하게 된다. 상기 공기극(13)으로 이동한 수소이온은 공기극(13)으로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물을 발생시키게 됨과 아울러 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다.

그리고 상기 단위 전지가 다수개 적층되어 이루어지는 스택은 이와 같은 단위 전지에서 발생되는 전기에너지가 합쳐져 출력된다.

한편, 상기 단위 전지가 다수개 적층되어 스택을 이루는 종래 스택 조립구조는, 도 3, 4에 도시한 바와 같이, 일정 두께와 면적을 갖도록 형성되며 그 테두리부분에 다수개의 관통구멍(61)이 구비된 두개의 앤드 플레이트(60)사이에 다수개의 단위 전지(U)가 적층된 상태로 위치하고 그 두개의 앤드 플레이트(60)의 관통구멍(61)에 각각 소정의 길이를 갖는 볼트(70)가 관통 삽입되며 그 다수개의 볼트(70)에 너트(80)가 각각 체결되어 이루어진다. 그리고 상기 다수개의 단위 전지(U)의 적층체에 각 단위 전지(U)의 연료극측의 유로홈(F)과 공기극측의 유로홈(F)에 각각 연료와 공기가 공급되도록 연료공급패스(미도시)와 공기공급패스(미도시)가 각각 형성된다. 그리고 상기 다수개의 볼트(70)와 너트(80)는 다수개 적층된 단위 전지(U)에서 연료 및 공기가 누설되지 않도록 조여진 상태가 되며 상기 앤드 플레이트(60)와 단위 전지(U)사이에 절연재(90)가 각각 삽입된다.

그러나 상기한 바와 같은 종래 연료전지 스택 조립구조는 상기 두개의 앤드 플레이트(60) 사이에 다수개의 단위 전지(U)가 적층된 상태에서 상기 앤드 플레이트(60)의 관통구멍(61)에 관통 삽입된 다수개의 볼트(70)와 너트(80)를 각각 조여 다수개의 단위 전지(U)를 고정 결합하게 되므로 다수개의 볼트(70)와 너트(80)를 조임시체결력이 균일하게 작용하지 않아 단위 전지(U)와 단위 전지(U)의 접촉력의 불균형으로 틈새가 발생되어 연료 및 산소의 누설로 인한 폭발의 위험이 높고, 또한 다수개의 볼트(70)와 너트(80)를 조여야 하므로 조립 공정이 많아지게 되는 문제점이 있었다.

상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 다수개의 단위 전지에서 가스 및 연료의 누설을 방지할 뿐만 아니라 조립 공정을 간단하게 할 수 있도록 한 연료전지의 스택 조립구조를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 연료전지의 스택을 구성하는 단위 전지를 분해하여 도시한 정면도,

도 2는 상기 단위 전지의 작동상태를 약호로 도시한 자유도,

도 3,4는 종래 연료전지 스택 조립구조를 도시한 정면도 및 측면도,

도 5는 본 발명의 연료전지 스택 조립구조를 도시한 정면도,

도 6은 본 발명의 연료전지 스택 조립구조를 구성하는 적재케이스의 사시도.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

100 ; 적재케이스 110 ; 지지면부

120 ; 체결면부 121 ; 나사공

130 ; 모서리 연결부 140 ; 절연재

200 ; 누름판 300 ; 가압 볼트

U ; 단위 전지

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 소정 형상의 수용공간이 구비된 적재케이스와, 상기 적재케이스 수용공간의 일측 내면에 지지되어 그 수용공간에 적재되는 다수개의 단위 전지와, 상기 수용공간의 일측 내면에 지지되는 단위 전지의 반대편 단위 전지에 접면되도록 상기 수용공간에 위치하는 누름판과, 상기 적재케이스에 관통되도록 나사 결합되어 상기 누름판이 수용공간에 적재된 다수개의 단위 전지를 압착하도록 그 누름판을 가압하는 가압 볼트와 상기 수용공간의 내면과 단위 전지사이 그리고 상기 누름판과 단위 전지사이에 각각 삽입되는 절연재를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 연료전지의 스택 조립구조가 제공된다.

이하, 본 발명의 연료전지의 스택 조립구조를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명의 연료전지 스택 조립구조의 일실시예를 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 상기 연료전지 스택 조립구조는 먼저 소정 형상의 수용공간이 구비된 적재케이스(100)의 수용공간에 다수개의 단위 전지(U)가 적재된다. 상기 적재케이스(100)는 사각 형태로 지지면부(110)가 형성되고 그 지지면부(110)에 일정 간격을 두고 그 지지면부(110)의 면적과 상응하게 체결면부(120)가 형성되며 상기 지지면부(110)의 각 모서리와 상기 체결면부(120)의 각 모서리를 서로 연결하여 모서리 연결부(130)가 형성되고 상기 체결면부(120)의 가운데 나사공(121)이 구비되어 이루어진다. 상기 지지면부(110)와 체결면부(120) 그리고 4개의 모서리 연결부(130)가 수용공간을 형성하게 되고 상기 모서리 연결부(130)는 그 단면이 일정 두께를 갖는 기역자 형태 또는 일자 형태로 형성된다. 상기 단위 전지(U)는 소정의 면적을 갖는 전해질막(11)의 양측면에 각각 전극을 구성하는 코팅막(12)(13)이 도포된 엠이에이(10)와, 소정의 면적을 가지며 그 양측면 또는 일측면에 유체가 유동하는 유로홈(F)이 형성되어 상기 엠이에이(10)의 양측에 각각 위치하는 세퍼레이터(20)(30)와, 상기 엠이에이(10)와 세퍼레이터(20)(30)사이에 위치하여 상기 유로홈(F)으로 유동하는 유체의 유동을 촉진시키는 디퓨젼 플레이트(40) 및 실링재(50)를 포함하여 구성된다. 그리고 상기 단위 전지(U)가 다수개 적층시 그 단위 전지(U)의 엠이에이(10)와 세퍼레이터(20)(30)가 서로 교번되도록 적층되며 그 적층된 단위 전지(U) 적층체의 내부에 연료와 공기가 각각 공급되는 연료공급패스와 공기공급패스가 각각 형성된다. 그리고 상기 단위 전지(U) 적층체는 상기 적재케이스(100)의 지지면부(110) 내면에 접촉되도록 위치하게 된다.

그리고 소정의 면적을 갖도록 형성된 누름판(200)이 상기 적재케이스(100)의 수용공간에 위치하게 되며 그 누름판(200)은 상기 적재케이스(100)의 수용공간에 위치하는 단위 전지(U)와 그 체결면부(120)사이에 위치하게 된다.

그리고 상기 소정의 길이를 갖도록 형성된 가압 볼트(300)가 상기 적재케이스(100)의 체결면부(120)에 형성된 나사공(121)에 체결되며 그 적재케이스(100)의 수용공간에 위치하는 가압 볼트(300)의 단부는 상기 누름판(200)에 회전 가능하도록 결합됨이 바람직하다.

그리고 상기 적재케이스(100)의 수용공간의 내면, 즉 지지면부(110)의 내면과 그에 접면되는 단위 전지(U)사이 그리고 상기 누름판(200)과 단위 전지(U)사이에 각각 절연재(140)가 위치하게 된다. 상기 절연재(140)는 일정 두께와 소정의 면적을 갖도록 형성되어 적재케이스(100)의 지지면부(110) 내면과 상기 누름판(200)에 각각 부착됨이 바람직하다.

이하, 본 발명의 연료전지 스택 조립구조의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

상기 연료전지 스택의 조립과정은 먼저 상기 적재케이스(100)의 체결면부(120) 나사공(121)에 상기 가압 볼트(300)가 체결되고 그 적재케이스(100)의 수용공간에 위치하는 가압 볼트(300)의 단부가 그 수용공간에 위치하는 누름판(200)에 접촉 연결된다. 그리고 상기 적재케이스(100)의 수용공간, 즉 지지면부(110) 내면과 상기 누름판(200)사이에 다수개의 단위 전지(U)를 적재시키고 상기 가압 볼트(300)를 회전시킴에 의해 상기 누름판(200)이 움직이면서 상기 적재된 다수개의 단위 전지(U)를 가압하여 고정하게 된다.

본 발명은 상기 가압 볼트(300)를 회전시킴에 의해 누름판(200)이 연동되면서 그누름판(200)이 적재된 다수개의 단위 전지(U)를 압착하게 되므로 적재된 다수개의 단위 전지(U)를 가압하는 압력이 균일하게 되어 단위 전지(U)와 단위 전지(U)의 접촉력이 균일하게 된다. 그리고 상기 가압 볼트(300)만을 회전시킴에 의해 적재된 다수개의 단위 전지(U)가 가압 고정되므로 조립 공정이 간단하게 된다. 즉, 종래에는 다수개의 볼트(70)와 너트(80)를 각각 균일하게 체결하여 적재된 단위 전지(U)를 압착 고정하게 되므로 조립 공정이 복잡하게 되지만, 본 발명은 가압 볼트(300) 하나만을 회전시킴에 의해 적재된 다수개의 단위 전지(U)를 압착 고정하게 되므로 조립 공정이 간단하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지의 스택 조립구조는 스택을 구성하는 다수개의 단위 전지가 일정한 압력으로 가압된 상태로 고정 결합되므로 작동 중 수소가스와 산소가 누설되어 폭발하는 것을 방지하게 됨으로써 안전성을 도모할 수 있고, 또한 스택의 조립 공정이 간단하게 됨으로써 조립 생산성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims

소정 형상의 수용공간이 구비된 적재케이스와, 상기 적재케이스 수용공간의 일측 내면에 지지되어 그 수용공간에 적재되는 다수개의 단위 전지와, 상기 수용공간의 일측 내면에 지지되는 단위 전지의 반대편 단위 전지에 접면되도록 상기 수용공간에 위치하는 누름판과, 상기 적재케이스에 관통되도록 나사 결합되어 상기 누름판이 수용공간에 적재된 다수개의 단위 전지를 압착하도록 그 누름판을 가압하는 가압 볼트와 상기 수용공간의 내면과 단위 전지사이 그리고 상기 누름판과 단위 전지사이에 각각 삽입되는 절연재를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 연료전지의 스택 조립구조.
제1항에 있어서, 상기 적재케이스는 사각 형태로 지지면부가 형성되고 그 지지면부에 일정 간격을 두고 그 지지면부의 면적과 상응하게 체결면부가 형성되며 상기 지지면부의 각 모서리와 상기 체결면부의 각 모서리를 서로 연결하여 상기 지지면부 및 체결면부와 함께 수용공간을 형성하는 모서리 연결부가 형성되고 상기 체결면부의 가운데 상기 가압 볼트가 체결되는 나사공이 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 조립구조.