KR20050039354A - A device for tightening stacks of fuel cell in electric vehicles - Google Patents
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Abstract
리벳을 이용한 밴드 체결로 부피축소 및 체결 안정성을 확보하며, 접시형 스프링을 개재하여 스택의 운전 중에 충격이나 열변형에 의한 면압 변화를 감소시키고, 전면적에 대한 압력분포를 균일화하도록 하여 연료전지 스택의 기밀성이 향상되도록;Band fastening using rivets ensures volume reduction and fastening stability, and reduces the change in surface pressure due to impact or thermal deformation during operation of the stack through the disc spring, and equalizes the pressure distribution over the entire area of the fuel cell stack. To improve airtightness;
적층된 연료전지 분리판의 양측 단을 각각 지지하기 위한 양측 엔드 플레이트와; 상기 일측 엔드 플레이트와 이에 대응하는 분리판 사이에 개재되어 분리판의 전면에 대하여 일정한 면압을 제공하는 면압유지수단; 상기 분리판과 면압유지수단 및 양측 엔드 플레이트를 다수개의 밴드를 이용하여 하나로 체결하는 밴딩수단을 포함하는 연료전지 스택 체결장치를 제공한다. Two end plates each supporting both ends of the stacked fuel cell separation plates; A surface pressure maintaining means interposed between the one end plate and a corresponding separator plate to provide a constant surface pressure with respect to the front surface of the separator plate; Provided is a fuel cell stack fastening device comprising a banding means for fastening the separating plate, the surface pressure holding means and both end plates using a plurality of bands.
Description
본 발명은 전기자동차 등에 사용되는 연료전지 스택 체결장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 분리판으로 구성된 연료전지의 스택 체결 시, 밴드를 이용하여, 분리판에 작용하는 불필요한 굽힘하중을 감소시키고, 분리판 내의 면압분포를 일정하게 하는 연료전지 스택 체결장치에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell stack fastening device used in an electric vehicle, and more particularly, when stacking a fuel cell stack consisting of a separating plate, by using a band to reduce unnecessary bending load acting on the separating plate, The present invention relates to a fuel cell stack fastening device for maintaining a surface pressure distribution in a separator.
주지하는 바와 같이, 연료전지는 수소이온을 투과하는 전해질층이 있으며, 수소극과 산소극으로 다음에 따르는 반응에 의해 기전력을 발생시킨다. As is well known, a fuel cell has an electrolyte layer that transmits hydrogen ions, and generates electromotive force by the following reaction to the hydrogen electrode and the oxygen electrode.
음극: H2 ?? 2H++2e- , 양극: (1/2)O2 +2H++2e -??H2OCathode: H 2 ?? 2H + + 2e -, the positive electrode: (1/2) O 2 + 2H + + 2e - ?? H 2 O
즉, 음극에 사용되는 수소는 개질기에 의하여 변환하여 얻거나 수소를 압축하여 사용한다. 또한, 양극에 사용되는 산소는 일반적으로 공기를 사용한다. That is, the hydrogen used for the cathode is obtained by converting by a reformer or by compressing hydrogen. In addition, oxygen used for an anode generally uses air.
상기 연료전지는 전해질층의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 전해질형 연료전지, 고체 고분자형 연료전지, 알칼리형 연료전지 등 여러 가지로 구별되며, 일반적으로는 고체 전해질형 연료전지가 출력 밀도가 제일 높고, 그 다음에 고체 고분자형 연료전지가 높다. The fuel cell is classified into various types such as a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid electrolyte fuel cell, a solid polymer fuel cell, and an alkaline fuel cell according to the type of electrolyte layer. Type fuel cells have the highest power densities, followed by solid polymer fuel cells.
하지만, 고체 전해질형 연료전지는 작동 온도가 매우 높아서 단시간에 출력을 내야 하는 자동차에 적용하기는 어려운 점이 많기 때문에, 고체 고분자형 연료전지가 자동차에 많이 쓰이고 있는 추세이며, 그 구조는 소형화하기 쉬운 수소이온이 이동하는 고분자막을 전해질로 사용한다. 대표적으로는 듀폰사의 나피온이라는 제품이 많이 쓰이며, 탄소층에 백금촉매를 입힌 구조이다. However, since solid electrolyte fuel cells have a high operating temperature and are difficult to be applied to automobiles that need to be output in a short time, solid polymer fuel cells are used in automobiles, and the structure of hydrogen is easy to miniaturize. A polymer membrane in which ions move is used as an electrolyte. Representatively, Dupont's Nafion product is used a lot and it has a structure that coated platinum catalyst on carbon layer.
이와 같은 연료전지는 기존의 내연기관과는 달리 배기가스가 발생되지 않아 환경 친화적이며, 석유자원의 고갈과 지구환경 보호를 위해서는 연료전지가 확실한 대안 중 하나이며, 현재 계속적인 연구 개발에 의해 점차로 소형화되고, 경량화, 고출력을 위한 형태로 발전해가고 있는 상황이다. Unlike conventional internal combustion engines, such fuel cells are environmentally friendly because they do not generate exhaust gas, and fuel cells are one of the obvious alternatives for depleting petroleum resources and protecting the global environment. It is being developed into a form for light weight and high output.
연료전지의 셀 1개의 이론적인 전압은 약 1.2 V 이며, 전압을 높이기 위하여 복수개의 셀을 적층하는데, 셀을 적층한 여러 개의 단위는 스택이라고 한다. The theoretical voltage of one cell of a fuel cell is about 1.2 V, and a plurality of cells are stacked in order to increase the voltage, and the unit of stacking cells is called a stack.
이러한 셀은 분리판이 주로 탄소섬유 복합재료로 이루어져 있으며, 가스켓을 이용하여 전기 화학반응을 위한 연료가 새어나가지 않도록 하고 있다. These cells are made of carbon fiber composites, and the separator is made of a gasket to prevent leakage of fuel for electrochemical reactions.
분리판과 분리판 사이에는 전극 전해질 어셈블리(MEA)가 위치하여 화학반응이 일어나고, 가스교환을 효율적으로 하기 위한 가스 확산층(GDL)이 위치하며, 한쪽 분리판의 가스통로를 통과한 수소는 가스확산층을 통하여 전극 전해질 어셈블리에 도달하고 마주보는 쪽에서는 산소가 위치한다. An electrode electrolyte assembly (MEA) is positioned between the separator and the separator to cause a chemical reaction, and a gas diffusion layer (GDL) for efficient gas exchange is located. The hydrogen passing through the gas passage of one separator is a gas diffusion layer. Oxygen is located on the opposite side of the electrode electrolyte assembly through the electrode electrolyte assembly.
화학반응에 의하여 발생한 전류는 도체의 분리판을 통하여 흐르게 되며, 분리판의 맨 끝에서 전극을 통하여 뽑아낸다. 또한, 발생한 물은 외부로 방출시키거나 화학반응을 일으키는데 일부 사용되기도 하는데, 이 때, 가능한 많은 양의 전류가 흐르는 연료전지가 효율이 좋게 되며, 이에 영향을 끼치는 요소는 많이 있지만, 분리판과 분리판 사이의 면압이 하나의 요소가 된다. The current generated by the chemical reaction flows through the separation plate of the conductor and is drawn through the electrode at the end of the separation plate. In addition, the generated water may be partially used to discharge to the outside or to cause a chemical reaction. In this case, a fuel cell flowing as much current as possible becomes more efficient, and there are many factors influencing this, but it is separated from the separator. The surface pressure between the plates is one element.
상기 면압이 너무 작은 경우는 분리판과 분리판 사이의 접촉 저항이 커져서 전류가 흐르지 않을 수가 있으며, 면압이 너무 큰 경우는 가스확산층이 너무 압축되어서 가스 확산이 효율적으로 일어나지 않을 수 있다. If the surface pressure is too small, the contact resistance between the separator and the separator may increase, so that no current may flow. If the surface pressure is too large, the gas diffusion layer may be compressed so that gas diffusion may not occur efficiently.
따라서 전류가 효율적으로 흐르는 면압이 존재하게 되며, 이는 기계적 체결장치를 변경함으로써 면압 분포를 효율적으로 개선할 수 있다. Therefore, there exists a surface pressure through which current flows efficiently, which can effectively improve the surface pressure distribution by changing the mechanical fastening device.
하지만, 다수의 셀을 적층하는 스택에서는 셀의 적층 정밀도가 내부 저항으로 나타나기 때문에, 극단적으로 많은 셀을 적층하는 경우 각 셀에 연료를 균등하게 공급하기 어려워지고, 이는 연료전지의 효율을 감소시키는 작용을 한다. However, since stacking accuracy of cells is represented by internal resistance in a stack of a plurality of cells, it is difficult to supply fuel evenly to each cell when stacking an extremely large number of cells, which reduces the efficiency of the fuel cell. Do it.
도 1과 도 2는 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 체결 구조 및 주요 체결부를 확대하여 나타낸 도면으로써, 종래 연료전지 스택 체결장치는 다수개 배열된 분리판(110)의 양측 단부를 지지하는 2개의 엔드 플레이트(120,121)와, 상기 2개의 엔드 플레이트(120,121)를 연결하는 다수의 체결봉(130) 및 체결너트(140)로 이루어져 있다.1 and 2 are enlarged views of a fastening structure and a main fastening part of a fuel cell stack according to the related art, and a conventional fuel cell stack fastening device includes two supporting both end portions of a plurality of separation plates 110. End plates 120 and 121 and a plurality of fastening rods 130 and fastening nuts 140 connecting the two end plates 120 and 121.
이 때, 상기 너트(140)는 체결봉(130) 끝부분에 형성된 수나사(150)에 체결되어 그 조임 상태에 따라 양측 엔드 플레이트(120,121)가 다수개의 연료전지 분리판(110)에 대하여 양측면을 가압하여 체결하게 된다. At this time, the nut 140 is fastened to the male screw 150 formed at the end of the fastening rod 130 so that both end plates 120 and 121 face both sides with respect to the plurality of fuel cell separation plates 110 according to the tightening state. It is pressurized.
이러한 종래의 연료전지 스택의 체결구조에 있어서, 그 문제점은 체결봉(130)과 스택(110)간의 간격(G)으로 인하여, 체결시 불필요한 굽힘하중이 작용하게 되며, 이에 따라 스택 전체 면적에 고른 압력을 유지할 수 없게 되어 연료전지 스택의 기밀을 유지할 수 없게 되는 문제점을 내포하고 있다. In the conventional fastening structure of the fuel cell stack, the problem is that due to the gap (G) between the fastening rod 130 and the stack 110, unnecessary bending load during the fastening acts, and thus even the entire stack area. This implies that the pressure cannot be maintained and the fuel cell stack cannot be kept tight.
또한, 자동차에 탑재하는 부품은 가능한 부피를 줄여야 할 필요성이 있으며, 이러한 관점에서, 기존의 특허를 살펴보면, 미국 특허 US 6,258,475 B1에 제시된 구조도 스택을 외부의 봉으로 체결한 구조로 그 체결부에 의해 불필요한 공간이 형성되며, 한국 실용신안공개 제2000-0019031호도 스프링을 이용한 체결봉을 사용한 구조가 적용되며, 이 구조의 장점은 면압의 변화가 스프링에 의하여 감소하지만, 이 역시 불필요한 공간이 형성되는 문제점이 있다. In addition, the parts to be mounted on the vehicle need to reduce the volume as possible, and in view of the existing patent, the structure of the US Patent US 6,258,475 B1 is a structure in which the stack is fastened with an external rod to the fastening part The unnecessary space is formed, the Korean Utility Model Publication No. 2000-0019031 is also applied to the structure using a fastening rod using a spring, the advantage of this structure is that the change in surface pressure is reduced by the spring, but also this unnecessary space is formed There is a problem.
이를 해결하기 위해 많은 연료전지 스택의 체결구조는 체결봉 대신 얇은 판이나 밴드를 이용한 구조로 바뀌고 있는 추세이며, 미국특허 US 6,270,917 B1에 보면, 체결봉이 내부에 위치하도록 하여 체결봉에 의한 불필요한 부피증가를 감소시켰으나, 이 또한 기존의 외부에서 체결하도록 설계된 분리판을 다시 설계해야 한다는 문제점을 내포하고 있다. In order to solve this problem, the fastening structure of many fuel cell stacks has been changed to a structure using a thin plate or band instead of the fastening rod. According to US Pat. However, this also has a problem that must be redesigned a separator designed to be fastened in the existing external.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 리벳을 이용한 밴드 체결로 부피축소 및 체결 안정성을 확보하며, 접시형 스프링을 개재하여 스택의 운전 중에 충격이나 열변형에 의한 면압 변화를 감소시키고, 전면적에 대한 압력분포를 균일화하도록 하여 연료전지 스택의 기밀성이 향상되도록 하는 연료전지 스택 체결장치를 제공하는 것이다. Therefore, the present invention has been invented to solve the above problems, the object of the present invention is to secure the volume reduction and fastening stability by band fastening using rivets, shock or thermal deformation during operation of the stack via the plate spring It is to provide a fuel cell stack fastening device to reduce the change in surface pressure by the pressure, and to uniform the pressure distribution over the entire area to improve the airtightness of the fuel cell stack.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명의 연료전지 스택 체결장치는 다수개의 연료전지 셀의 분리판이 적층되어 구성되는 연료전지 스택을 체결하기 위하여, 상기 적층된 연료전지 분리판의 양측 단을 각각 지지하기 위한 양측 엔드 플레이트와; 상기 일측 엔드 플레이트와 이에 대응하는 분리판 사이에 개재되어 분리판의 전면에 대하여 일정한 면압을 제공하는 면압유지수단; 상기 분리판과 면압유지수단 및 양측 엔드 플레이트를 다수개의 밴드를 이용하여 하나로 체결하는 밴딩수단을 포함하며,The fuel cell stack fastening device of the present invention for realizing the above object supports each end of each of the stacked fuel cell separator plates in order to fasten a fuel cell stack composed of a plurality of separator plates of a plurality of fuel cell cells. Both end plates for discharging; A surface pressure maintaining means interposed between the one end plate and a corresponding separator plate to provide a constant surface pressure with respect to the front surface of the separator plate; It includes a banding means for fastening the separation plate and the surface pressure holding means and both end plates in one using a plurality of bands,
상기 면압유지수단은 상기 일측 엔드 플레이트와 이에 대응하는 분리판 사이에 개재되는 중간 플레이트와; 상기 중간 플레이트와 상기 일측 엔드 플레이트 사이에 개재되어 자체 탄성력에 의해 상기 분리판에 대한 면압 변화를 감소시키는 탄성체로 이루어지는 것을 특징으로 하고, The surface pressure holding means includes an intermediate plate interposed between the one end plate and a separator plate corresponding thereto; It is characterized in that the interposed between the intermediate plate and the one end plate made of an elastic body to reduce the change in the surface pressure on the separation plate by its own elastic force,
상기 밴딩수단은 상기 각 분리판과 면압유지수단 및 양측 엔드 플레이트의 상,하부면에 대응하여 배치되는 다수개의 수평밴드와; 상기 양측 엔드 플레이트의 외단면에 대응하여 배치되며, 양단이 상기 수평밴드와 체결되는 다수개의 수직밴드로 이루어지는 것을 특징으로 한다. The bending means includes a plurality of horizontal bands disposed corresponding to the upper and lower surfaces of each of the separating plate, the surface pressure holding means, and both end plates; It is disposed corresponding to the outer end surfaces of the both end plates, characterized in that both ends are composed of a plurality of vertical bands which are fastened to the horizontal band.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 체결장치를 적용하여 연료전지 스택을 체결한 상태의 조립 사시도, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 체결장치의 분해 사시도로써, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 스택 체결장치는 다수개의 연료전지 셀의 분리판(1)이 적층되어 구성되는 연료전지 스택(10)을 일정한 면압으로 체결하기 위한 것으로, 그 구성은 상기 적층된 연료전지 분리판(1)의 양측 단을 각각 지지하기 위한 양측 엔드 플레이트(3,5)가 구비된다. 3 is an assembled perspective view of a fuel cell stack fastening state by applying a fuel cell stack fastening device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is an exploded perspective view of a fuel cell stack fastening device according to an embodiment of the present invention. The fuel cell stack fastening device according to an embodiment of the present invention is for fastening a fuel cell stack 10 including a plurality of separator plates 1 of a plurality of fuel cell cells with a constant surface pressure. Both end plates 3, 5 for supporting both ends of the battery separator plate 1 are provided.
여기서, 상기 엔드 플레이트(3,5)는 알루미늄 합금 또는 스테인레스 재료나 방향성이 있는 유리섬유강화 플라스틱을 사용할 수 있으며, 두께는 15mm ~ 30mm 가량이 되며, 재료에 따라서 차이가 발생한다. Here, the end plates 3 and 5 may use aluminum alloy or stainless material or oriented glass fiber reinforced plastic, and the thickness is about 15 mm to 30 mm, and a difference occurs depending on the material.
상기 양측 엔드 플레이트(3,5) 중에서, 일측의 엔드 플레이트(3)와 이에 대응하는 분리판(1) 사이에는 상기 분리판(1)의 전면적에 대하여 일정한 면압을 제공하도록 면압유지수단이 개재되는데, 상기 면압유지수단의 구성은 상기 일측 엔드 플레이트(3)와 이에 대응하는 분리판(1) 사이에 중간 플레이트(7)가 상기 분리판(1)에 접촉된 상태로 개재된다. Among the end plates (3, 5) on both sides, between the end plate (3) of one side and the corresponding separation plate (1) is interposed between the pressure maintaining means to provide a constant surface pressure with respect to the entire area of the separation plate (1) In the configuration of the surface pressure holding means, the intermediate plate 7 is interposed between the one end plate 3 and the separator 1 corresponding thereto with the intermediate plate 7 in contact with the separator 1.
그리고 상기 중간 플레이트(7)와 상기 일측 엔드 플레이트(3) 사이에는 자체 탄성력에 의해 상기 분리판(1)에 대한 면압 변화를 감소시키도록 탄성체(9; 이하, 접시형 스프링과 혼용하여 사용함)가 개재된다.And between the intermediate plate 7 and the one end plate 3 is an elastic body 9 (hereinafter, used in combination with the plate-like spring) to reduce the change in the surface pressure on the separating plate 1 by its own elastic force It is interposed.
본 실시예에서는 상기 탄성체(9)를, 도 5에서와 같이, 중앙에 홀(11)이 형성되고 이 홀(11)을 중심으로 하여 방사형으로 형성되는 2개의 접시형 스프링(9)을 개재하여 적용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 그 작용하중을 증가시키려면, 크기가 작은 여러 개의 접시형 스프링(9)을 적층시켜 직렬로 연결하고, 그 변위를 증가시키려면, 서로 다른 모양으로 여러 개를 적층시켜 병렬로 연결할 수 있다.In the present embodiment, as shown in Fig. 5, the elastic body 9 is provided with a hole 11 at the center and two plate springs 9 formed radially around the hole 11. However, the present invention is not limited thereto, and in order to increase its working load, several small springs (9) having a small size are stacked in series and connected in series to increase the displacement. Can be stacked and connected in parallel.
이러한 접시형 스프링(9)의 재료는 항복응력이 높을수록 스프링의 갯수를 줄일 수가 있기 때문에 부피를 감소하기 위해 항복응력이 높은 재료를 사용하는 것이 바람직하며, 접시형 스프링으로 설계하기 곤란한 경우에는 탄성계수가 낮은 재료를 사용하여 대체할 수 도 있다. Since the material of the dish-type spring 9 can reduce the number of springs as the yield stress is higher, it is preferable to use a material having a high yield stress to reduce the volume. Alternative materials may also be used.
그리고 상기 분리판(1)과 면압유지수단인 중간 플레이트(7)와 접시형 스프링(9) 및 양측 엔드 플레이트(3,5)는 밴딩수단을 통하여 하나로 체결하게 되는데, 상기 밴딩수단은 상기 각 분리판(1)과 중간 플레이트(7), 접시형 스프링(9) 및 양측 엔드 플레이트(3,5)의 상,하부면에 대응하여 각각 3개씩의 수평밴드(13)가 배치되고, 상기 양측 엔드 플레이트(3,5)의 외단면에 대응하여서는 각각 3개씩의 수직밴드(15)가 배치되어 각각의 양단이 상기 수평밴드(13)의 단부와 체결된다. And the separating plate (1) and the intermediate plate (7), the plate-like spring (9) and both end plates (3, 5), which is the surface pressure holding means are fastened to one through the bending means, the banding means are separated Three horizontal bands 13 are arranged in correspondence with the upper and lower surfaces of the plate 1, the intermediate plate 7, the disc springs 9, and both end plates 3 and 5, respectively. Corresponding to the outer end surfaces of the plates 3 and 5, three vertical bands 15 are arranged so that both ends thereof are fastened to the ends of the horizontal bands 13.
이 때, 상기 수평밴드(13)와 수직밴드(15)의 각 단부의 연결은 볼트체결에 비해서 지지하중이 높은 리벳이음(17)으로 체결되며, 리벳이음(17)의 개수는 수평 및 수직밴드(13,15)가 파괴되는 응력과 리벳이 파괴되는 응력이 동일하도록 하여 설계하는 것이 바람직하다. At this time, the connection between each end of the horizontal band 13 and the vertical band 15 is fastened by rivet joints 17 having a higher support load than bolts, and the number of rivet joints 17 is horizontal and vertical bands. It is preferable to design so that the stress at which (13, 15) is destroyed and the stress at which rivets are destroyed are the same.
그리고 상기 수평밴드(13)와 수직밴드(15)는, 도 6과 도 7에서 도시한 바와 같이, 그 굽힘 강성을 보조하도록 그 각각의 길이방향으로 일측 단부가 휘어져 절곡된 절곡부(B)를 형성하며, 각 양단에는 리벳홀(H)이 형성되며, 상기 수직밴드(15)의 경우, 그 양단이 상기 수평밴드(13)의 단부에 평행하게 대응하도록 절곡된 수평 절곡면(P)을 형성하여 리벳이음이 용이하도록 구성된다. And the horizontal band 13 and the vertical band 15, as shown in Figures 6 and 7, the bent portion (B) is bent by bending one end portion in each longitudinal direction to assist the bending stiffness And a rivet hole (H) is formed at each end, and in the case of the vertical band (15), a horizontal bent surface (P) bent so that both ends thereof parallel to an end of the horizontal band (13) is formed. It is configured to facilitate rivet joints.
여기서, 상기 수평밴드(13)와 수직밴드(15)는 각각 그 재질이 섬유강화 플라스틱, 스테인레스 스틸, 및 스틸 중의 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있으며, 통상, 강도 증가 및 부식방지를 위하여 약 1mm ~ 2mm 두께의 스테인레스 스틸을 사용하는 것이 바람직하다. 절연을 위해서는 유리섬유강화 플라스틱을 사용할 수 도 있으나, 이 경우에는 스테인레스 스틸에 비해서 두께나 폭을 증가시킬 필요가 있다. Here, the horizontal band 13 and the vertical band 15 may be made of any one material of fiber-reinforced plastic, stainless steel, and steel, respectively, and usually, about 1mm to increase strength and prevent corrosion. Preference is given to using stainless steel of 2 mm thickness. Fiberglass-reinforced plastics can also be used for insulation, but in this case it is necessary to increase the thickness or width compared to stainless steel.
따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 연료전지 스택 체결장치에 의하면, 상기 일측의 엔드 플레이트(3)와 중간 플레이트(7) 사이에 개재되는 접시형 스프링(9)의 높이(h)가 그 두께(t)의 1.5배일 때, 도 8에서와 같은 접시형 스프링의 이론적인 변위에 대한 하중 특성을 나타내는 바, 일정한 구간(S)에서는 스프링의 변위가 발생하여도 비교적 하중이 일정한 구간이 존재하며, 이 구간 내에서는 운전 중, 스택에 가해지는 충격에 대해서도 각 분리판(1)에 가해지는 면압의 변화는 상기 접시형 스프링(9)에 의해 흡수되어 안정적으로 유지될 뿐만 아니라 연료전지의 기밀성도 향상시킬 수 있는 것이다. Therefore, according to the fuel cell stack fastening device having the configuration as described above, the height h of the dish-like spring 9 interposed between the end plate 3 and the intermediate plate 7 on one side thereof is the thickness t. When 1.5 times, the load characteristic of the theoretical displacement of the dish-like spring as shown in Figure 8, bar in the constant section (S), even if the displacement of the spring occurs, there is a relatively constant load section In operation, the change in the surface pressure applied to each separator plate 1 even when the impact is applied to the stack is not only absorbed and maintained by the dish-shaped spring 9, but also the airtightness of the fuel cell can be improved. It is.
물론, 상기 접시형 스프링(9)의 높이(h)가 두께(t)의 1.5배가 아닐 경우는, 상기와 같이, 하중이 일정한 구간이 존재하지 않으며, 이러한 결과는 접시형 스프링(9)에 작용하는 마찰력이 없다고 가정하고 계산한 것으로, 실제 사용시에는 다른 결과를 나타내므로 실험을 통하여 거동을 확인하고 적용하여야 할 것이며, 일반적으로 접시형 스프링(9)이 갖는 비선형성을 이용하여 변위에 대하여 스프링의 하중이 일정한 구간을 갖도록 설계하는 것은 가능하다. Of course, if the height (h) of the dish-like spring (9) is not 1.5 times the thickness (t), as described above, there is no section where the load is constant, this result acts on the dish-like spring (9) It is calculated on the assumption that there is no friction force, and in actual use, it shows different results, so it is necessary to check and apply the behavior through experiments. It is possible to design the load to have a constant section.
또한, 수평밴드(13)와 수직밴드(15)를 리벳이음(17)으로 체결하여 부피축소 및 체결 안정성을 확보할 수 있게 된다. In addition, the horizontal band 13 and the vertical band 15 can be fastened by rivet joints 17 to secure volume reduction and fastening stability.
상기와 같이 본 발명의 연료전지 스택 체결장치에 의하면, 리벳을 이용한 밴드 체결로 부피축소 및 체결 안정성을 확보함과 동시에 종래 체결봉을 이용한 스택 체결 구조에 비해서 굽힘 하중을 감소시키며, 접시형 스프링을 개재하여 스택의 운전 중에 충격이나 열변형에 의한 면압 변화를 감소시켜 면압 분포를 일정하게 유지하며, 이에 따라 분리판 전면적에 대한 압력 분포를 균일화하도록 하여 연료전지 스택의 기밀성이 향상되도록 하는 효과가 있다.According to the fuel cell stack fastening device of the present invention as described above, while reducing the volume and fastening stability by the band fastening using the rivets, while reducing the bending load compared to the stack fastening structure using a conventional fastening rod, The surface pressure distribution is kept constant by reducing the change in surface pressure due to impact or thermal deformation during operation of the stack, thereby improving the airtightness of the fuel cell stack by making the pressure distribution on the entire area of the separator uniform. .
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 체결 구조를 도시한 사시도, 1 is a perspective view showing a fastening structure of a fuel cell stack according to the prior art;
도 2는 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 체결부를 확대하여 나타낸 부분 단면도, 2 is an enlarged partial cross-sectional view of a fastening part of a fuel cell stack according to the related art;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 체결장치를 적용하여 연료전지 스택을 체결한 상태의 조립 사시도, 3 is an assembled perspective view of a state in which a fuel cell stack is fastened by applying a fuel cell stack fastening device according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 체결장치의 분해 사시도, 4 is an exploded perspective view of a fuel cell stack fastening device according to an embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 실시예에 적용되는 수평밴드의 사시도, 5 is a perspective view of a horizontal band applied to an embodiment of the present invention,
도 6은 본 발명의 실시예에 적용되는 수직밴드의 사시도,6 is a perspective view of a vertical band applied to an embodiment of the present invention;
도 7은 본 발명의 실시예에 적용되는 접시형 스프링의 사시도,7 is a perspective view of a dish-type spring applied to an embodiment of the present invention,
도 8은 본 발명의 실시예에 적용되는 접시형 스프링의 하중-변위 특성을 나타내는 곡선 그래프이다. 8 is a curve graph showing the load-displacement characteristics of the disc spring applied to the embodiment of the present invention.
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