KR20050045070A

KR20050045070A - 연료전지 스택 체결장치

Info

Publication number: KR20050045070A
Application number: KR1020030079013A
Authority: KR
Inventors: 고재준; 조규택; 김수환; 최재식
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-11-10
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2005-05-17

Abstract

본 발명의 목적은 밴드를 이용하여 분리판과 전극을 적층하여 구성된 연료전지 스택의 체결 시, 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부에 자체 구속력을 갖도록 팽창하중 지지구조를 갖는 연료전지 스택 체결장치를 제공하는 것으로,

양측 엔드 플레이트 사이에, 다수개의 분리판과 전극 전체질 접합체(MEA)가 적층되어 구성되는 연료전지 스택을 밴드를 이용하여 체결하기 위한 연료전지 스택 체결장치에서,

상기 양측 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부가 자체 구속력을 갖도록 스택의 팽창하중 작용방향에 대하여 엔드 플레이트의 체결홈에 대하여 밴드의 단부에 지지면을 갖는 팽창하중 지지구조를 형성하며, 체결수단을 통하여 체결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치를 제공한다.

Description

연료전지 스택 체결장치{A DEVICE FOR TIGHTENING STACKS OF FUEL CELL IN ELECTRIC VEHICLES}

본 발명은 전기자동차 등에 사용되는 연료전지 스택 체결장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 밴드를 이용하여 분리판과 전극을 적층하여 구성된 연료전지 스택의 체결 시, 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부에 자체 구속력을 갖도록 팽창하중 지지구조를 갖는 연료전지 스택 체결장치에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, 전기자동차용 연료전지(Fuel Cell)는, 도 1에서 도시한 바와 같이, 크게 전기화학 반응을 일으키는 전극과, 전기화학 반응에 의해 발생된 수소이온을 전달하는 전해질 막의 접합체인 전극 전해질 접합체(101, MEA; Membrane Electrode Assembly)과, 이를 지지하는 분리판(103)으로 이루어져 있다.

고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력 밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에, 고체 전해질을 쓰기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요 없는 장점을 가지고 있다.

또한, 배기가스로 순수 물만을 배출하는 친환경적인 동력원이기 때문에 현재 전 세계 자동차 업계에서 활발한 연구가 진행 중에 있다.

이러한 고분자 전해질 연료전지는 수소와 산소의 전기 화학적 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전기를 발생하는 장치로, 공급된 수소가 어노드(Anode) 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 캐소드(Cathode)로 넘어가게 되며, 이 때, 공급된 산소와 외부 도선을 타고 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키며, 이 때, 발생되는 이론 전위는 약 1.3V이며 반응식은 다음과 같다.

Anode : H₂→ 2H⁺+2e^- ,

Cathode : (1/2)O₂ +2H⁺+2e^-→H₂O

실제로 전기자동차용 연료전지에서는 위에서 나타난 전위보다 더 큰 전위를 필요로 하는데, 더 높은 전위를 얻기 위해서는 개별 단위전지를 필요한 전위만큼 적층하여야 하며, 이렇게 적층한 것을 스택(100; Stack)이라 한다.

이러한 연료전지를 상용화하기 위해서는 출력밀도 증가 및 촉매, 전해질 막, 분리판 같은 스택의 주요 구성품의 생산단가 절감 등의 문제를 해결해야만 하는데, 스택 체결기구를 간소화함으로 연료전지의 대량 생산시 빠른 작업성을 확보하고 스택 단품의 가격을 낮추는 것이 필요하다.

종래 스택의 체결은, 도 2에서 도시한 바와 같이, 양측 엔드 플레이트(105,107; End plate), 분리판(103), 가스켓 및 전극 전해질 접합체(101, MEA; Membrane Electrode Assembly)를 적층하여 구성된 스택(100)을 스테인리스 스틸 소재의 밴드(109; Band)를 이용하여 체결하게 되는데, 이 때, 상기 밴드(109)의 양단은 스택 양쪽 끝단에 배치되는 엔드 플레이트(105,107)에 볼트(111)를 이용하여 고정함으로써 스택(100)을 고른 압력으로 눌러주며 고정하게 된다.

즉, 밴드(109)의 양단 끝부분과 같은 모양의 체결홈이 형성된 엔드 플레이트(105,107)를 가진 스택(100)을 유압 프레스기로 적정 압력이 부과된 상태에로 놓고, 두께 1~2mm의 상기 밴드(109)의 양단부를 볼트(111)를 이용하여 체결한다.

이 때, 상기 밴드(109) 양단 끝부분은 스택 양측에 배치된 엔드 플레이트(105,107)의 체결홈에 정확하게 일치하게 되며, 볼트(111)를 이용하여 고정함으로써 스택(100)을 일정한 압력으로 눌러주게 된다.

그러나 상기 스택(100)은 수축되어 있는 상태이기 때문에 양측 엔드 플레이트(105,107)를 밀어 팽창하려는 성질을 갖는데, 스택(100)을 체결한 상기 밴드(109)는 그 길이가 한정되어 있고, 자체 구속력이 없으므로 스택 팽창에 의해 밴드(109) 양단 끝부분이 휘어지면서 스택(100)의 윗부분으로 탈거되려는 힘을 받는다.

따라서 상기 밴드(109)의 체결상태를 지지하기 위해 스택(100)의 팽창응력을 흡수하고 스택(100)을 견고하게 고정할 수 있는 큰 사이즈의 볼트(111)가 필요하게 되는데, 상기 팽창응력을 볼트(111)가 모두 받게 되기 때문에, 장기 운전이나 외부 진동에 의한 계속된 하중 스트레스로 인해 볼트(111)가 파손되어 스택의 내구성을 보존할 수 없는 문제점을 내포하고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 밴드를 이용하여 분리판과 전극을 적층하여 구성된 연료전지 스택의 체결 시, 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부에 자체 구속력을 갖도록 팽창하중 지지구조를 갖는 연료전지 스택 체결장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명의 연료전지 스택 체결장치는 양측 엔드 플레이트 사이에, 다수개의 분리판과 전극 전체질 접합체(MEA)가 적층되어 구성되는 연료전지 스택을 밴드를 이용하여 체결하기 위한 연료전지 스택 체결장치에서,

상기 양측 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부가 자체 구속력을 갖도록 스택의 팽창하중 작용방향에 대하여 엔드 플레이트의 체결홈에 대하여 밴드의 단부에 지지면을 갖는 팽창하중 지지구조를 형성하며, 체결수단을 통하여 체결되는 것을 특징으로 하며,

상기 팽창하중 지지구조는 상기 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부 상에서, 상기 엔드 플레이트의 체결홈이 상기 스택의 팽창하중 작용방향에 대하여 폭이 좁아지도록 경사진 지지홈면을 형성하고, 상기 밴드의 양단부는 상기 체결홈의 경사진 지지홈면에 대응하는 경사진 지지면을 형성하여 체결되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하며,

상기 체결수단은 상기 양측 엔드 플레이트의 체결홈에, 상기 밴드의 양단부을 끼워 상호 볼트 체결한 상태로, 상기 밴드의 양단부가 엔드 플레이트의 체결홈에이 삽입된 상태로 빠지지 않도록 엔드 플레이트의 길이방향으로 보조 밴드를 더 장착하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 체결장치를 적용하여 연료전지 스택을 체결한 상태의 조립 사시도로써, 본 발명이 적용되는 연료전지 스택(1)은 양측 엔드 플레이트(3,5) 사이에 다수개의 분리판(7)과 가스켓 및 전극 전해질 접합체(미도시, MEA; Membrane Electrode Assembly)를 적층하여 구성하고, 스테인리스 스틸 소재의 밴드(11; Band)를 이용하여 체결하게 되는데, 이 때, 상기 밴드(11)의 양단은 스택 양쪽 끝단에 배치되는 양측 엔드 플레이트(3,5)에 볼트(13)를 이용하여 고정함으로써 스택을 고른 압력으로 눌러주며 고정하게 된다.

즉, 밴드(11)의 양단 끝부분과 같은 모양의 체결홈이 형성된 엔드 플레이트를 가진 스택(1)을 유압 프레스기로 적정 압력이 부과된 상태에로 놓고, 두께 1~2mm의 상기 밴드(11)의 양단부를 볼트(13)를 이용하여 체결한다.

이러한 연료전지 스택(1)의 체결에서, 상기 양측 엔드 플레이트(3,5)와 각 밴드(11)의 양단 체결부(9)는 스택(1)의 팽창하중 작용방향에 대하여 자체 구속력을 갖도록 각 엔드 플레이트(3,5)의 체결홈에 대하여 밴드(11)의 단부에 지지면을 갖는 팽창하중 지지구조를 형성하며, 체결수단인 상기 볼트(13)를 통하여 체결된다.

도 4는 본 발명의 제1실시예의 팽창하중 지지구조에 따른 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부를 도시한 부분 사시도로써, 본 발명의 제1실시예에 따른 상기 팽창하중 지지구조는 상기 양측 엔드 플레이트(3,5)와 밴드(11)의 양단 체결부(9) 상에서, 상기 엔드 플레이트(3,5)의 체결홈(15)이 상기 스택의 팽창하중 작용방향(s)에 대하여 폭이 좁아지도록 경사진 지지홈면(17)을 형성하다.

상기 밴드(11)의 양단부는 상기 체결홈(15)의 경사진 지지홈면(17)에 대응하는 경사진 지지면(19)을 형성하여 밴드(11)의 양단부가 상기 엔드 플레이트(3,5)의 체결홈(15)에 끼워진 상태로 볼트(13)로 체결되는 구조를 이룬다.

이 때, 상기 볼트(13)를 포함하는 체결수단은 상기 엔드 플레이트(3,5)의 체결홈(15) 내측면에 볼트 체결구(21)를 형성하고, 이에 대응하여 상기 밴드(11)의 양단부에는 볼트홀(23)을 형성하여 상호 볼트(13)에 의해 체결되는 구성으로 이루어지며, 도 8에서 도시한 바와 같이, 상기 양측 엔드 플레이트(3,5)의 체결홈(15)에, 상기 밴드(11)의 양단부을 각각 끼워 상호 볼트 체결한 상태로, 상기 밴드(11)의 양단부가 엔드 플레이트(3,5)의 체결홈(15)에 삽입된 상태로 빠지지 않도록 엔드 플레이트(3,5)의 길이방향으로 보조 밴드(25)를 더 장착하여 이루어진다.

그리고 도 5는 본 발명의 제2실시예의 팽창하중 지지구조에 따른 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부를 도시한 부분 사시도로써, 본 발명의 제2실시예에 따른 상기 팽창하중 지지구조는 상기 제1실시예와 같이, 상기 엔드 플레이트(3,5)와 밴드(11)의 양단 체결부(9) 상에서, 상기 엔드 플레이트(3,5)의 체결홈(15)이 상기 스택(1)의 팽창하중 작용방향(S)에 대하여 폭이 좁아지도록 경사진 지지홈면(17)을 형성하고, 상기 밴드(11)의 양단부는 상기 체결홈(15)의 경사진 지지홈면(17)에 대응하는 경사진 지지면(19)을 형성하여 밴드(11)의 양단부가 상기 엔드 플레이트(3,5)의 체결홈(15)에 끼워진 상태로 볼트(13)로 체결되는 구조는 동일하나, 상기 엔드 플레이트(3,5)의 체결홈(15) 내에 밴드(11)의 단부가 끼워진 상태로 수평방향의 진동에 대하여 효과적으로 대응할 수 있도록 상기 엔드 플레이트(3,5)의 체결홈(15) 내에 상기 경사진 지지홈면(17)에 연장된 수직면(25)을 형성하고, 상기 밴드(11)의 단부에는 상기 수직면(25)에 대응하도록 상기 지지면(19)에 연장된 대응 수직면(27)을 형성하여 구성된다.

또한, 상기 볼트(13)를 포함하는 체결수단의 구성은 상기 제1실시예와 동일하며, 구체적인 설명은 생략한다.

그리고 도 6은 본 발명의 제3실시예의 팽창하중 지지구조에 따른 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부를 도시한 부분 사시도로써, 본 발명의 제3실시예에 따른 팽창하중 지지구조는 상기 엔드 플레이트(3,5)와 밴드(11)의 양단 체결부(9) 상에서, 상기 엔드 플레이트(3,5)의 체결홈(15)이 상기 스택(1)의 팽창하중 작용방향(S)에 대응하여 직각을 이루는 수평 지지홈면(29)을 형성한다.

상기 밴드(11)의 양단부는 상기 체결홈(15)의 수평 지지홈면(29)에 대응하는 수평 지지면(31)을 형성하여 밴드(11)의 양단부가 상기 엔드 플레이트(3,5)의 체결홈(15)에 끼워진 상태로 볼트(13)로 체결되는 구조를 이룬다.

이 또한, 상기 볼트(13)를 포함하는 체결수단의 구성은 상기 제1실시예와 동일하며, 구체적인 설명은 생략한다.

그리고 도 7은 본 발명의 제4실시예의 팽창하중 지지구조에 따른 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부를 도시한 부분 사시도로써, 본 발명의 제4실시예에 따른 팽창하중 지지구조는, 상기 제3실시예와 같이, 상기 엔드 플레이트(3,5)와 밴드(11)의 양단 체결부(9) 상에서, 상기 엔드 플레이트(3,5)의 체결홈(15)이 상기 스택(1)의 팽창하중 작용방향(S)에 대응하여 직각을 이루는 수평 지지홈면(29)을 형성하고, 상기 밴드(11)의 양단부는 상기 체결홈(15)의 수평 지지홈면(29)에 대응하는 수평 지지면(31)을 형성하여 밴드(11)의 양단부가 상기 엔드 플레이트(3,5)의 체결홈(15)에 끼워진 상태로 볼트(13)로 체결되는 구조는 동일하나, 상기 스택(1)의 팽창하중 작용방향(S)에 대응하여 직각을 이루는 수평 지지홈면(29)은 3단으로 형성되고, 이에 대응하여 체결되는 밴드(11)의 양단부에도 상기 수평 지지홈면(29)과 동일한 3단의 수평 지지면(31)을 형성하여 상호간의 접촉면적을 넓게 하여 체결되는 구조를 이룬다.

상기 볼트(13)를 포함하는 체결수단의 구성은 상기 제1실시예와 동일하며, 구체적인 설명은 생략한다.

따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 연료전지 스택 체결장치에 의하면, 상기 양측 엔드 플레이트(3,5)와 밴드(11)의 양단 체결부(9)가 자체 구속력을 갖도록 스택(1)의 팽창하중 작용방향(S)에 대하여 각각 엔드 플레이트(3,5)의 체결홈(15)에 대하여 밴드(11)의 단부에 지지되는 면을 갖는 각각의 팽창하중 지지구조를 취하고 있어, 작은 볼트의 사용이 가능함으로 공간 효율성이 증대되며, 기존 체결기구보다 볼트의 크기뿐만 아니라 개수를 줄일 수 있으므로 경제성과 작업 편리성을 가지며, 장기 운전시나 외부 충격시 볼트에 전해지는 하중이 체결기구로 분산되므로 스택 내구성이 향상되는 등의 결과를 얻을 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 연료전지 스택 체결장치에 의하면, 밴드를 이용하여 분리판과 전극을 적층하여 구성된 연료전지 스택의 체결 시, 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부에 스택의 팽창하중 작용방향에 대응하여 자체 구속력을 갖도록 팽창하중 지지구조를 갖도록 함으로써, 작은 볼트의 사용이 가능함으로 공간 효율성이 높이며, 종래 체결기구보다 볼트의 개수를 줄일 수 있으므로 경제적이고, 작업 성이 향상되며, 장기 운전시나 외부 충격시 볼트에 전해지는 하중이 체결기구로 분산되므로 스택 전체의 내구성 향상으로 기밀을 보존할 수 있는 등의 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 구성도,

도 2는 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 체결 장치에 의한 체결구조를 도시한 사시도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 체결장치를 적용하여 연료전지 스택을 체결한 상태의 조립 사시도,

도 4는 본 발명의 제1실시예의 팽창하중 지지구조에 따른 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부를 도시한 부분 사시도,

도 5는 본 발명의 제2실시예의 팽창하중 지지구조에 따른 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부를 도시한 부분 사시도,

도 6은 본 발명의 제3실시예의 팽창하중 지지구조에 따른 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부를 도시한 부분 사시도,

도 7은 본 발명의 제4실시예의 팽창하중 지지구조에 따른 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부를 도시한 부분 사시도,

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 체결장치의 체결수단의 적용 상태를 도시한 연료전지 스택의 조립 사시도이다.

Claims

양측 엔드 플레이트 사이에, 다수개의 분리판과 전극 전체질 접합체(MEA)가 적층되어 구성되는 연료전지 스택을 밴드를 이용하여 체결하기 위한 연료전지 스택 체결장치에 있어서,

상기 양측 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부가 자체 구속력을 갖도록 스택의 팽창하중 작용방향에 대하여 엔드 플레이트의 체결홈에 대하여 밴드의 단부에 지지면을 갖는 팽창하중 지지구조를 형성하며, 체결수단을 통하여 체결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
청구항 1에 있어서, 상기 팽창하중 지지구조는

상기 양측 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부 상에서, 상기 엔드 플레이트의 체결홈이 상기 스택의 팽창하중 작용방향에 대하여 폭이 좁아지도록 경사진 지지홈면을 형성하고, 상기 밴드의 양단부는 상기 체결홈의 경사진 지지홈면에 대응하는 경사진 지지면을 형성하여 체결되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
청구항 1에 있어서, 상기 팽창하중 지지구조는

상기 엔드 플레이트와 밴드의 양단 체결부 상에서, 상기 엔드 플레이트의 체결홈이 상기 스택의 팽창하중 작용방향에 대응하여 직각을 이루는 수평 지지홈면을 형성하고, 상기 밴드의 양단부는 상기 체결홈의 수평 지지홈면에 대응하는 수평 지지면을 형성하여 체결되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
청구항 3에 있어서, 상기 스택의 팽창하중 작용방향에 대응하여 직각을 이루는 수평 지지홈면은 적어도 2단 이상으로 형성되며, 이에 대응하여 체결되는 밴드의 양단부에도 상기 수평 지지홈면과 동일한 단의 수평 지지면을 형성하여 체결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
청구항 1에 있어서, 상기 체결수단은

상기 엔드 플레이트의 체결홈 내측면에는 볼트 체결구를 형성하고, 이에 대응하여 상기 밴드의 양단부에는 볼트홀을 형성하여 상호 볼트에 의해 체결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
청구항 5에 있어서, 상기 체결수단은

상기 양측 엔드 플레이트의 체결홈에, 상기 밴드의 양단부을 끼워 상호 볼트 체결한 상태로, 상기 밴드의 양단부가 엔드 플레이트의 체결홈에 삽입된 상태로 빠지지 않도록 엔드 플레이트의 길이방향으로 보조 밴드를 더 장착하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.