KR200467886Y1

KR200467886Y1 - Fuel cell stack

Info

Publication number: KR200467886Y1
Application number: KR2020090015856U
Authority: KR
Inventors: 임재욱; 김정헌
Original assignee: 한국타이어월드와이드 주식회사
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2013-07-10
Also published as: KR20110005874U

Abstract

본 고안은, 연료전지 스택의 제조에 있어서 연료전지 스택에 가해지는 압력이 불균일하게 되는 것을 방지하기 위한 구조를 가진 연료전지 스택에 관한 것으로, 스프링을 적용하여 연료전지 전극면에 가해지는 압력이 균일하게 되도록 제조된 연료전지 스택을 제공한다.The present invention relates to a fuel cell stack having a structure for preventing the pressure applied to the fuel cell stack from being uneven in the manufacture of the fuel cell stack. The pressure applied to the fuel cell electrode surface by applying a spring is uniform. It provides a fuel cell stack manufactured to be.

Description

Fuel Cell Stack {FUEL CELL STACK}

본 고안은 연료전지 스택에 관한 것으로, 특히 연료전지 스택의 제조에 있어서 연료전지 스택에 가해지는 압력이 불균일하게 되는 것을 방지하기 위한 구조를 가진 연료전지 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell stack, and in particular, in the manufacture of a fuel cell stack, a structure for preventing the pressure applied to the fuel cell stack from being uneven The present invention relates to a fuel cell stack.

통상적으로, 연료전지 스택은 여러 겹의 셀(막전극 접합체, 가스켓, 분리판)과 셀의 양 끝단부에 집전판, 절연판, 엔드판(end plate)이 배설되어 제작된다. 이와 같이 제작되는 연료전지 스택은, 연료, 공기, 냉각수 등의 반응물이 매니폴드(manifold: 다기관)를 통해 각각의 유로를 통과하면서 전기화학적 반응을 일으키고, 이러한 전기화학 반응을 통해 전기가 생산된다.In general, a fuel cell stack is manufactured by disposing a plurality of layers of cells (membrane electrode assembly, gasket, separator) and a current collector plate, an insulation plate, and an end plate at both ends of the cell. In the fuel cell stack manufactured as described above, reactants such as fuel, air, and cooling water pass through respective flow paths through a manifold (manifold) to generate an electrochemical reaction, and electricity is produced through the electrochemical reaction.

우수한 스택 성능을 얻고 또한 반응물의 외부 누출을 막기 위해서, 스택의 양 끝단부의 엔드판 사이에 여러 개의 체결바를 횡축으로 정렬하여 압력을 가하고 있다. 이때, 이러한 통상적인 스택은, 타이로드(tie rod)가 엔드판의 가장자리에 위치하여 힘을 가하는 구조로 되어 있기 때문에, 엔드판에 불균일한 압력이 전달되 게 된다. 따라서, 스택의 중앙부분, 즉 연료전지의 반응영역에 있어서 면압이 저하되고, 이로써 접촉저항이 증가되어 스택 성능을 저하시키는 주원인으로 된다.In order to obtain good stack performance and to prevent external leakage of reactants, several fastening bars are arranged in the transverse axis between the end plates of both ends of the stack to apply pressure. At this time, such a conventional stack, because the tie rod is positioned at the edge of the end plate to apply a force, the non-uniform pressure is transmitted to the end plate. Therefore, the surface pressure decreases in the center portion of the stack, that is, in the reaction region of the fuel cell, thereby increasing the contact resistance, which is the main cause of degrading the stack performance.

도 1은 일반적인 연료 전지 스택을 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 연료전지 스택은, 막전극 접합체(1), 분리판(2), 집전판(3), 엔드판(4), 체결바(5)로 구성되어 있다. 이러한 구조는, 체결압력이 엔드판 외곽부에 집중되기 때문에, 연료전지의 활성면적이 위치한 스택 중심부로 갈수록 압력이 낮아지는 것으로 알려져 있다(한국 특허출원공개 10-2008-0009525호 및 10-2009-0045991호 등 참조).1 illustrates a typical fuel cell stack. The fuel cell stack shown in FIG. 1 is composed of a membrane electrode assembly 1, a separation plate 2, a current collector plate 3, an end plate 4, and a fastening bar 5. This structure is known to decrease in pressure toward the center of the stack where the active area of the fuel cell is located because the fastening pressure is concentrated on the outer edge of the end plate (Korean Patent Application Publication Nos. 10-2008-0009525 and 10-2009- 0045991 et al.).

도 1에 나타낸 일반적인 연료 전지 스택에서는, 이와 같은 불균일한 압력으로 인해, 접촉저항이 저하되어 스택 발전성능을 저하시키는 결과를 초래하고, 반응물의 유동 불균일이나 외부 누출 현상을 발생시키는 문제점이 있다.In the general fuel cell stack shown in FIG. 1, such a non-uniform pressure causes a problem of lowering contact resistance and lowering stack power generation performance, and causing a problem of uneven flow of reactants or external leakage.

도 2는, 도 1에 나타낸 바와 같이 구성된 스택을 조립하여 분리판에 가해지는 압력을 측정한 것으로, 분리판의 일부만을 나타내고 있다(다만, 유로설계에 대해서는 따로 나타내고 있지 않음). 도 1에는, 스프링이 장착되어 있지 않은 스택은 분리판 위의 가스켓부(8)에 압력이 가해지지만, 가스켓 내부의 유로(9)에는 압력이 균일하게 가해지지 않는 구조가 나타내어져 있다.FIG. 2 is a measure of the pressure applied to the separating plate by assembling the stack configured as shown in FIG. 1 and shows only a part of the separating plate (however, the flow path design is not shown separately). In Fig. 1, a stack without a spring is applied to the gasket portion 8 on the separator plate, but a pressure is not applied uniformly to the flow path 9 inside the gasket.

또한, 스택과 엔드판 사이에 수십 개 그리고 2종류 이상의 장력 분포를 갖는 스프링을 적용하여 스택을 제조하는 기존의 방법도 제안되어 있다. 그러나, 이 방법은 연료전지 시스템에서 스택의 부피를 최소화하는데 기여하지 못하고, 수많은 스프링과 추가적인 조립이 필요하다는 문제점이 있다.There is also proposed an existing method of manufacturing a stack by applying a spring having dozens and two or more kinds of tension distributions between the stack and the end plate. However, this method does not contribute to minimizing the volume of the stack in a fuel cell system, and has a problem in that a number of springs and additional assembly are required.

앞에서 언급한 바와 같이, 연료전지 스택에 있어서는 체결압이 스택 성능과 반응물의 외부 누출에 직접적인 영향을 미치기 때문에, 분리판의 면에 일정한 압력을 가하기 위해 엔드판 구조 변경장치, 스택 체결 보조장치 등을 채용하지 않으면 안된다. 또한 기존의 스택은, 시간에 따라 코일 스프링의 장력이 약해지기 때문에, 밀폐성을 장시간 유지하는데도 효과적이지 못한 것으로 판단되고 있다.As mentioned earlier, in a fuel cell stack, the clamping pressure directly affects stack performance and external leakage of reactants. You must adopt. In addition, since the tension of the coil spring becomes weak with time, the existing stack is judged to be ineffective for maintaining the sealing property for a long time.

따라서, 본 고안은 연료전지 스택에 관한 것으로, 연료전지 스택의 제조에 있어서 연료전지 스택에 가해지는 압력이 불균일하게 되는 것을 방지하기 위한 구조를 가진 연료전지 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention relates to a fuel cell stack, and an object of the present invention is to provide a fuel cell stack having a structure for preventing the pressure applied to the fuel cell stack from being uneven in manufacturing the fuel cell stack.

본 고안은, 엔드판과 엔드판 사이에 코일 스프링을 설치하여 제조한 기존의 스택이나, 체결바를 적용하여 엔드판에서 스택의 중심부로 힘을 가하도록 된 기존의 스택에, 스택 중심부에서 엔드판으로 힘을 가하는 스프링과 스프링 고정 너트를 추가하고, 스택을 조립할 때 엔드판에 집중 응력을 받는 너트 위치의 반대면에 스택을 설치함으로써, 집중 응력을 제거하고 있다.The present invention provides a conventional stack manufactured by installing a coil spring between an end plate and an end plate, or an existing stack configured to apply a fastening bar to force a force from the end plate to the center of the stack. Concentrated stresses are eliminated by adding force springs and spring retaining nuts and installing the stack on the opposite side of the nut position as it is stressed on the end plate when assembling the stack.

또, 본 고안에 적용되는 스프링은, 각각 5㎝ 이하의 길이로 이루어져 스택 무게를 크게 증가시키지도 않으면서, 스프링이 체결바와 결합된 구조이기 때문에 스택 부피도 증가시키지 않는다는 장점이 있다.In addition, the springs to be applied to the present invention, each having a length of 5 cm or less, does not significantly increase the stack weight, and there is an advantage that the stack volume is not increased because the spring is coupled to the fastening bar.

본 고안에 의하면, 전극면에 균일하게 압력이 가해지지 않아 연료전지 성능을 저하시켰던 기존의 연료전지 스택과 달리, 연료전지 스택의 전극면이 균일하게 압력이 가해지도록 별도의 장치(스프링)를 추가함으로써, 성능 저하를 감소시킬 수 있다.According to the present invention, unlike the conventional fuel cell stacks in which the pressure is not uniformly applied to the electrode surface, which lowers the fuel cell performance, an additional device (spring) is added so that the electrode surface of the fuel cell stack is uniformly pressurized. By doing so, performance degradation can be reduced.

이하, 도면을 참조하면서 본 고안의 실시예에 대해 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 3은 본 고안에 의해 제조된 연료전지 스택의 개념도이다. 막전극 접합체(1), 분리판(2), 집전판(3), 엔드판(4), 체결바(5) 이외에, 스프링 고정 너트(6), 스프링(7)을 이용하여 스택에 가해지는 체결압을 균일하게 하고 있다. 이와 같이 구성된 본 고안의 스택에 의하면, 엔드판(4)-스프링(7)-스프링 고정 너트(6)-체결바(5)-스프링 고정 너트(6)-스프링(7)-엔드판(4)의 구조로 체결된다. 따라서, 본 고안에 적용된 구조는 힘이 스택 내부와 외부로 동시에 가해질 수 있는 구조라고 할 수 있다. 특히, 스택 외부로 가해지는 힘은 스택 조립 후에 스택의 상태에 따라 조절이 가능한 구조를 갖는다. 이는, 스프링 고정 너트(6)의 풀림과 조임을 통해 스프링(7)의 압축거리를 조절하고, 조절된 압축거리에 따라 스택 외부로 가해지는 힘이 변경되기 때문이다. 스프링 고정 너트(6)를 엔드판에 가까울수록 스프링의 길이가 짧아져 엔드판에 가해지는 압력이 증가하고, 엔드판에서 멀어 질수록 스프링의 길이가 길어져 엔드판에 가해지는 압력이 감소한다. 본 고안에 적용될 수 있는 스프링(7)으로서는, 압축코일 스프링, 접시 스프링 등이 있다.3 is a conceptual diagram of a fuel cell stack manufactured by the present invention. In addition to the membrane electrode assembly 1, the separator 2, the current collector 3, the end plate 4, and the fastening bar 5, a spring fixing nut 6 and a spring 7 are applied to the stack. The tightening pressure is made uniform. According to the stack of the present invention configured as described above, the end plate 4-the spring 7-the spring fixing nut 6-the fastening bar 5-the spring fixing nut 6-the spring 7-the end plate 4 ) Is fastened to the structure. Therefore, the structure applied to the present invention can be said that the force can be applied simultaneously to the inside and outside the stack. In particular, the force applied to the outside of the stack has a structure that can be adjusted according to the state of the stack after stack assembly. This is because the compression distance of the spring 7 is adjusted by loosening and tightening the spring fixing nut 6, and the force applied to the outside of the stack is changed according to the adjusted compression distance. The closer the spring retaining nut 6 is to the end plate, the shorter the length of the spring increases and the pressure applied to the end plate increases. The farther away from the end plate, the length of the spring becomes longer and the pressure applied to the end plate decreases. As the spring 7 which can be applied to the present invention, there are a compression coil spring, a dish spring, and the like.

도 4는, 도 3에 나타낸 바와 같은 구성으로 된 스택을 조립하여 면압을 측정한 것으로, 가스켓뿐만 아니라 가스켓 내부의 유로부(9)에도 균일하게 압력이 가해지고 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 도 2에 나타낸 바와 같은 스택의 조립에 적용된 스프링 구조가 연료전지의 성능 향상 및 가스 밀폐 능력의 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다.Fig. 4 shows the surface pressure measured by assembling the stack having the configuration as shown in Fig. 3, and it can be confirmed that pressure is uniformly applied not only to the gasket but also to the flow path 9 inside the gasket. Therefore, it is expected that the spring structure applied to the assembly of the stack as shown in FIG. 2 can contribute to the improvement of the fuel cell performance and the gas sealing ability.

본 고안에 있어서는, 대략 3000∼4000kgf 정도의 스택 체결압에 대항하는 반대의 압력을 가할 수 있도록 엔드판과 엔드판 사이의 체결바에 스프링을 설치함으로써, 면압 불균일의 문제와 반응물의 외부 누출의 문제를 극력 방지하고 있다. 세부적으로는, 엔드판-스프링-너트의 구조로 되도록 함으로써, 너트의 이동을 통해 스프링에 가해지는 압력을 조절하고 있다. 스프링에 가해지는 압력은, 스택 체결압에 대항하는 반대의 압력으로 작용하여 스택 중심부와 외곽부의 면압을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 체결바의 볼트 면적과 스프링의 면적을 동일하게 하여 스택 체결시 국부적 압력이 가장 많이 가해지는 현상을 줄일 수 있다.In the present invention, the spring is provided on the fastening bar between the end plate and the end plate so as to apply the opposite pressure against the stack fastening pressure of about 3000 to 4000 kgf. I am preventing it. Specifically, the pressure applied to the spring through the movement of the nut is controlled by the end plate spring spring nut. The pressure applied to the spring acts as a pressure opposite to the stack clamping pressure to maintain a constant surface pressure of the stack center portion and the outer portion. In addition, the bolt area of the fastening bar and the area of the spring are the same to reduce the phenomenon that the local pressure is most applied during the stack fastening.

도 1은 일반적인 연료 전지 스택을 나타낸 도면이다.1 illustrates a typical fuel cell stack.

도 2는 도 1에 나타낸 바와 같이 구성된 스택을 조립하여 분리판에 가해지는 압력을 측정한 것으로, 분리판의 일부만을 나타내고 있다.FIG. 2 assembles a stack constructed as shown in FIG. 1 and measures the pressure applied to the separator plate. FIG. 2 shows only a part of the separator plate.

도 3은 본 고안에 의해 제조된 연료전지 스택의 개념도이다.3 is a conceptual diagram of a fuel cell stack manufactured by the present invention.

도 4는 도 3에 나타낸 바와 같은 구성으로 된 스택을 조립하여 면압을 측정한 것이다.4 is a surface pressure was measured by assembling a stack having a configuration as shown in FIG.

Claims

In a fuel cell stack,

The springs are placed on the fastening bars between the end plates and the end plates, respectively, so that the pressure applied to the fuel cell electrode surface is uniform without increasing the volume.

A spring fixing nut is applied to the lower end of the spring that applies pressure to the end plate to adjust the pressure applied to the end plate by changing the position of the nut.

The fuel cell stack, characterized in that the spring has a pressure range of 500 ~ 4000kpa so that the reaction force in the opposite direction to the fastening pressure of the fuel cell stack.

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