KR200465877Y1 - Ｐｅｍ 연료전지의 스택 체결구조 - Google Patents

Abstract

본 고안은 ＰＥＭ 연료전지의 스택 체결구조에 관한 것으로, ＰＥＭ 연료전지의 스택 체결구조에 있어서; 다수의 단위셀들이 적층되는 기준판인 베이스플레이트와; 상기 베이스플레이트의 4 모서리부를 관통하여 수직하게 설치되고, 상단부에는 나사산과 단턱이 형성된 고정볼트와; 상기 고정볼트에 끼워지고, 상기 단위셀(200)의 상부에 배치되는 유동플레이트와; 상기 유동플레이트와 간격을 두고 상기 단턱에 걸림되게 배치되는 고정플레이트와; 상기 나사산에 체결되어 상기 고정플레이트를 견고히 고정하는 너트와; 상기 고정플레이트의 하단면 중앙에 일체로 형성된 스크류체결구와; 상기 스크류체결구에 스크류체결되고, 상단에는 핸들이 고정된 스크류샤프트와; 상기 스크류샤프트의 하단과 자회전되게 연결 조립되며, 상기 유동플레이트의 상면 중앙을 가압하도록 배치되는 누름부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 ＰＥＭ 연료전지의 스택 체결구조를 제공한다.
본 고안에 따르면, 연료전지 스택을 구성하는 다수의 단위셀들이 적층된 상태에서 전체면에 걸쳐 균일하게 가압 고정되므로 불균일에 의한 가스 또는 냉각수의 유출을 막고, 열응력 차이로 인한 불균일한 변형도 막을 수 있어 안전성이 향상되고, 사용수명이 증대되는 효과를 얻을 수 있다.

Description

ＰＥＭ 연료전지의 스택 체결구조{ASSEMBLING STRUCTURE FOR THE PEM FUEL CELL STACKS}

본 고안은 ＰＥＭ 연료전지의 스택 체결구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 분리판을 적층한 연료전지 스택을 보다 균일하고 안정적으로 체결할 수 있도록 개선된 ＰＥＭ 연료전지의 스택 체결구조에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 대기중 산소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.

이러한 연료전지는 연료전지 스택(stack)과 연료처리장치(fuel processor)를 주요부로 구비하고, 연료탱크 및 연료펌프 등을 부수적으로 구비한다.

이때, 상기 연료전지 스택은 막-전극 접합체(MEA:membrane electrode assembly)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 셀이 수 내지 수십 개가 적층된 구조를 갖는데, 이는 원하는 출력을 얻기 위해 다수의 분리판을 적층한 형태를 갖기 때문이다.

그리고, 연료펌프는 연료탱크 내의 연료를 연료처리장치로 공급하며 연료처리장치는 연료를 개질하여 수소를 발생시키고 그 수소를 연료전지 스택으로 공급하며, 연료전지 스택에서는 상기 수소를 받아 산소와 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.

아울러, 연료처리장치는 촉매를 이용하여 탄화수소를 개질하게 되는데, 상기 탄화수소가 황 화합물을 함유하는 경우, 상기 촉매는 황 화합물에 의해 피독되기 쉽기 때문에 상기 탄화수소를 연료처리장치에 공급하기 전에 상기 황 화합물을 제거할 필요가 있다.

이러한 연료전지 스택에 있어 적층된 다수의 분리판을 안정적으로 지지하기 위한 체결구조가 필요한데 가장 일반적인 형태가 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 다수의 분리판(10)을 적층한 후 적층된 분리판의 양단에 분리판에 비해서 상대적으로 큰 두께를 갖는 엔드 플레이트(12)를 위치시킨 후 연결바(14)를 사용하여 체결하고, 상기 연결바(14)의 양단에는 나사산(16)을 형성하여 엔드 플레이트(12)의 외부면으로부터 너트(18)를 체결함으로써 견고히 고정되도록 한 것이다.

그러나, 연료전지의 작동 특성상 수소 및 공기를 지속적으로 공급해야 하며 공급된 수소 및 공기가 외부로 누출되지 않아야 하고, 또한 작동과정에 있어서 발열이 생기므로 이를 냉각하기 위한 냉각수가 공급되며 이 또한 누출되어서는 안되기 때문에 엔드 플레이트(12)는 공급된 가스 및 냉각수가 누출되지 않도록 비교적 높은 압력으로 분리판을 눌러야 할 뿐만 아니라 분리판의 전체면에 걸쳐서 균일한 압력을 가하여야 한다.

이는 엔드 플레이트(12)가 가하는 압력이 불균일할 경우 상대적으로 압력이 낮은 부분을 통해 가스 또는 냉각수가 누출될 수 있을 뿐만 아니라, 발열로 인한 열응력의 차이로 인해 불균일하게 변형될 우려가 있기 때문이다.

이를 위해 현재 여러가지 형태의 체결구조가 제안되고 있는데, 예컨대 미국특허 제5,547,777호에서는 도 1과 동일한 구조에서 너트(18)를 직사각형이 아닌 방사상으로 배치하여 응력 불균형을 해소하고자 한 구조를 개시하고 있지만, 실제로는 너트가 체결되는 부위의 응력이 나머지 부분에 비해서 상대적으로 높으며 이를 고르게 분산시킬 구조가 없어 그 효용성이 낮다.

다른 예로, 대한민국 실용신안등록출원 제20-1998-0027828호에서는 별도의 스탠드를 두고 스탠드에 지지된 가압판이 막전극 접합체를 누르는 구조를 개시하고 있지만, 가압판에 볼트 및 너트가 체결되지 않고 스탠드에 나사결합된 가압봉에 의해 가압되는 구조여서 비교적 균일한 압력이 전달될 수 있지만 스탠드로 인해 전체 연료전지 스택의 부피가 증가할 뿐만 아니라 가압봉이 위치한 부분과 외곽부분과의 응력에는 여전히 차이가 존재한다.

그 외에 대한민국 실용신안등록출원 제 20-1999-0005284호에서는 연결바의 중앙부에 코일 스프링을 두고, 인장력 조절 체결수단을 둔 구조를 개시하고 있으나, 여전히 너트 체결부와 그외 부분의 압력 차이는 해결하지 못하며, 장기간 사용하는 경우 코일 스프링의 특성이 변하게 되므로 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다.

본 고안은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창안된 것으로, 분리판, 즉 다수의 단위셀들에 가해지는 힘이 전체면에 걸쳐 고르고 균일하게 가해지도록 함으로써 가스 또는 냉각수의 누출을 막고, 발열에 따른 열응력의 차이로 인해 일어나는 불균일한 변형도 방지할 수 있도록 한 ＰＥＭ 연료전지의 스택 체결구조를 제공함에 그 주된 해결 과제가 있다.

본 고안은 상기한 해결 과제를 달성하기 위한 수단으로, ＰＥＭ 연료전지의 스택 체결구조에 있어서; 다수의 단위셀들이 적층되는 기준판인 베이스플레이트와; 상기 베이스플레이트의 4 모서리부를 관통하여 수직하게 설치되고, 상단부에는 나사산과 단턱이 형성된 고정볼트와; 상기 고정볼트에 끼워지고, 상기 단위셀(200)의 상부에 배치되는 유동플레이트와; 상기 유동플레이트와 간격을 두고 상기 단턱에 걸림되게 배치되는 고정플레이트와; 상기 나사산에 체결되어 상기 고정플레이트를 견고히 고정하는 너트와; 상기 고정플레이트의 하단면 중앙에 일체로 형성된 스크류체결구와; 상기 스크류체결구에 스크류체결되고, 상단에는 핸들이 고정된 스크류샤프트와; 상기 스크류샤프트의 하단과 자회전되게 연결 조립되며, 상기 유동플레이트의 상면 중앙을 가압하도록 배치되는 누름부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 ＰＥＭ 연료전지의 스택 체결구조를 제공한다.

이때, 상기 스크류샤프트의 하단과 상기 누름부재는 상호 자회전될 수 있도록 베어링 결합되거나 혹은 볼죠인트 방식으로 조립되는 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 누름부재는 상단이 좁고 하부가 넓은 종형상(Bell Type)인 것에도 그 특징이 있다.

본 고안에 따르면, 연료전지 스택을 구성하는 다수의 단위셀들이 적층된 상태에서 전체면에 걸쳐 균일하게 가압 고정되므로 불균일에 의한 가스 또는 냉각수의 유출을 막고, 열응력 차이로 인한 불균일한 변형도 막을 수 있어 안전성이 향상되고, 사용수명이 증대되는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 체결구조를 보인 예시적인 분해 사시도이다.
도 2는 본 고안에 따른 연료전지 스택의 체결구조를 보인 예시적인 사시도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 고안에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 고안에 따른 연료전지 스택의 체결구조를 보인 예시적인 사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 고안에 따른 ＰＥＭ 연료전지의 스택 체결구조는 베이스플레이트(100)를 포함한다.

상기 베이스플레이트(100)는 사각판상의 부재로서, 연료전지 스택의 기준플레이트이며, 다수의 분리판, 즉 단위셀(200)들이 적층된다.

그리고, 상기 베이스플레이트(100)의 4 모서리부에는 상기 베이스플레이트(100)를 상하방향으로 관통하여 길이가 긴 고정볼트(110)가 설치된다.

즉, 상기 고정볼트(110)는 4개 구비되며, 또한 상기 고정볼트(110)의 단부에는 일정길이 만큼 나사산(112)이 형성된다.

뿐만 아니라, 상기 고정볼트(110)의 상단부 일부에는 단턱(114)이 형성된다.

아울러, 상기 고정볼트(110)에는 유동플레이트(120)가 끼워지고, 상기 유동플레이트(120)는 상기 단위셀(200)들 중 최상위의 단위셀 상면에 접촉되게 배치된다.

한편, 상기 고정볼트(110)의 상단부에 형성된 단턱(114)에는 고정플레이트(130)가 끼워진 상태에서 걸림고정된다.

그리고, 상기 고정플레이트(130)가 상기 단턱(114)에 걸림된 상태에서 상기 고정볼트(110)의 나사산(112)에 너트(140)가 체결된 후 상기 고정플레이트(130)의 상면을 압착하여 상기 고정플레이트(130)가 유동되지 못하도록 견고히 고정하게 된다.

또한, 상기 고정플레이트(130)의 배면, 즉 저면 중앙에는 스크류체결구(150)가 일체로 형성된다.

나아가, 상기 스크류체결구(150)에는 스크류샤프트(160)가 스크류 체결된다.

이때, 상기 스크류샤프트(160)의 상단에는 조작을 용이하게 하기 위한 핸들(170)이 일체로 고정된다.

아울러, 상기 스크류샤프트(160)의 하단에는 누름부재(180)가 연결되는데, 이 경우 상기 누름부재(180)는 상기 스크류샤프트(160)의 하단과 아이들(idle)하게 체결되어야 한다.

즉, 상기 스크류샤프트(160)가 상기 누름부재(180)와 연결되기는 하나 상기 누름부재(180) 속에서 자유롭게 자회전될 수 있는 구조를 가져야 한다.

이를 위해, 상기 스크류샤프트(160)의 하단과 상기 누름부재(180)는 베어링 고정될 수도 있고, 혹은 볼죠인트 형태로 체결될 수도 있다.

뿐만 아니라, 상기 누름부재(180)는 상기 유동플레이트(120)의 중앙부를 균일하고 고르게 가압할 수 있도록 하단이 넓고 상단이 좁은 종형(Bell Type)으로 형성되면 더욱 좋다.

이러한 구성으로 이루어진 본 고안에 따른 ＰＥＭ 연료전지의 스택 체결구조는 다음과 같은 작동관계를 갖는다.

먼저, 베이스플레이트(100)에 다수의 단위셀(200)들을 적층한다.

이때, 상기 베이스플레이트(100)의 4 모서리부에는 이미 장볼트인 고정볼트(110)가 체결되어 있는 상태이다.

이 상태에서, 유동플레이트(120)를 상기 고정볼트(110)에 끼운 후 눌러 내리게 되면 상기 유동플레이트(120)의 하단면은 상기 단위셀(200)들 중 최상위 단위셀의 상단면과 접하게 된다.

이어, 고정플레이트(130)를 고정볼트(110)의 단턱(114)에 위치시킨 상태로 너트(140) 고정하게 되는데, 이 경우 상기 고정플레이트(130)에 누름부재(180)를 구비한 스크류샤프트(160)를 미리 설치해 두면 더욱 좋다.

이렇게 하여 고정플레이트(130)의 설치가 완료되면, 작업자가 핸들(170)을 잡고 조임방향, 즉 시계방향으로 회전시킨다.

그러면, 상기 핸들(170)과 일체로 연결된 스크류샤프트(160)가 회전되면서 스크류체결구(150)를 기준으로 하강하게 된다.

즉, 상기 스크류체결구(150)는 상기 고정플레이트(130)와 일체로 고정된 상태를 유지하고 있고 움직이지 못하는 구조이므로 유동가능한 스크류샤프트(160) 자신이 회전과 동시에 한 피치씩 하강하게 된다.

이에 따라, 상기 스크류샤프트(160)의 하단에 연결된 누름부재(180)도 함께 하강하게 되며, 누름부재(180)가 단위셀(200)들 중 최상위 단위셀의 상단면과 접촉되게 되면 이후 적정압으로 가압하도록 핸들(170)을 회전조작하여 누르게 된다.

이와 같이, 상기 누름부재(180)가 단위셀(200)의 상단면 정중앙에서 가압하게 되므로 4개의 고정볼트(110)가 일종의 가이드 역할을 하면서 유동플레이트(120)에 균일하고 고른 하중을 분포시키게 되어 기존과 달리 아주 간단한 구조를 갖추면서도 균일한 가압력을 가할 수 있게 되어 앞서 설명한 종래 기술상의 많은 문제점들을 간단히 해결할 수 있게 된다.

부가적으로, 단위셀(200)들의 중앙에 구멍을 내고 가이드를 구비한 상태에서 조이도록 된 것도 있으나 이 경우에는 연료전지에서 구멍을 뚫은 부분에 대한 씰링상의 문제가 발생하게 되므로 이용가능성은 떨어진다.

100 : 베이스플레이트 110 : 고정볼트
120 : 유동플레이트 130 : 고정플레이트
140 : 너트 150 : 스크류체결구
160 : 스크류샤프트 170 : 핸들
180 : 누름부재 200 : 단위셀

Claims (3)

1. ＰＥＭ 연료전지의 스택 체결구조에 있어서;
   다수의 단위셀(200)들이 적층되는 기준판인 베이스플레이트(100)와;
   상기 베이스플레이트(100)의 4 모서리부를 관통하여 수직하게 설치되고, 상단부에는 나사산(112)과 단턱(114)이 형성된 고정볼트(110)와;
   상기 고정볼트(110)에 끼워지고, 상기 단위셀(200)의 상부에 배치되는 유동플레이트(120)와;
   상기 유동플레이트(120)와 간격을 두고 상기 단턱(114)에 걸림되게 배치되는 고정플레이트(130)와;
   상기 나사산(112)에 체결되어 상기 고정플레이트(130)를 견고히 고정하는 너트(140)와;
   상기 고정플레이트(130)의 하단면 중앙에 일체로 형성된 스크류체결구(150)와;
   상기 스크류체결구(150)에 스크류체결되고, 상단에는 핸들(170)이 고정된 스크류샤프트(160)와;
   상기 스크류샤프트(160)의 하단과 자회전되게 연결 조립되며, 상기 유동플레이트(120)의 상면 중앙을 가압하도록 배치되는 누름부재(180)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 ＰＥＭ 연료전지의 스택 체결구조.
   
2. 청구항 1에 있어서;
   상기 스크류샤프트(160)의 하단과 상기 누름부재(180)는 상호 자회전될 수 있도록 베어링 결합되거나 혹은 볼죠인트 방식으로 조립되는 것을 특징으로 하는 ＰＥＭ 연료전지의 스택 체결구조.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서;
   상기 누름부재(180)는 상단이 좁고 하부가 넓은 종형상(Bell Type)인 것을 특징으로 하는 ＰＥＭ 연료전지의 스택 체결구조.

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