KR20080086614A - 밴드 체결형 연료전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밴드 체결형 연료전지 스택에 관한 것으로, 다수의 적층된 분리판(11)과, 상기 분리판(11)의 양측 끝부분에 위치하는 엔드플레이트(12)와, 상기 분리판(11) 및 엔드플레이트(12) 전체를 감싸는 밴드(13)와, 상기 엔드플레이트(12)와 밴드(13)의 사이에 설치되는 신축장치를 포함하여 구성된다.

따라서, 상기 신축장치의 신장 및 수축 길이를 조절함으로써 밴드(13)의 체결강도를 조절할 수 있으며, 다수의 신축장치 중에서 원하는 부위의 신축장치만을 조절하여 특정부위의 체결압력을 조절할 수 있게 된다.

따라서, 분리판 모서리부의 체결압 과도 증가 없이 중심부 또는 시일 설치부 등의 필요 부분의 체결압력을 적절히 보강함과 동시에 분리판 전체적으로 균일한 압력분포를 형성할 수 있게 됨으로써 각 셀 간의 접촉저항이 감소되어 발전효율이 향상되고, 시일성능이 향상되며, 분리판의 파손 및 변형을 방지할 수 있게 될 뿐만 아니라, 고리형의 이음이 없는 밴드를 사용할 수 있게 되어 용접을 실시할 필요가 없게 됨으로써 스택 조립 공수가 감소되는 효과가 있다.

Description

밴드 체결형 연료전지 스택{fuel cell stack with bands}

도 1은 종래 밴드 체결형 연료전지 스택의 구성도,

도 2는 종래 분리판의 압력 분포도,

도 3은 본 발명에 따른 밴드 체결형 연료전지 스택의 구성도,

도 4의 (a),(b)는 본 발명의 일 구성인 신축장치의 작동 상태도,

도 5는 본 발명에 따른 밴드 지지플레이트의 설치상태도,

도 6은 본 발명에 따른 밴드 체결형 연료전지 스택의 구성도,

도 7은 도 2에 대응되는 본 발명에 따라 구성된 연료전지 스택의 분리판 압력 분포도,

도 8은 필요에 따라 선택적으로 체결압력을 조절하는 사용례를 도시한 도면,

도 9는 본 발명에 따른 신축장치의 또 다른 실시예이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 스택 11 : 분리판

12 : 엔드플레이트 13 : 밴드

20,40 : 신축장치 30 : 실링

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 특히 밴드 체결형 연료전지 스택에 관한 것이다.

연료전지 스택은 막전극조합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)와 그 양쪽에 밀착되어 상기 막전극조합체의 연료극과 공기극에 수소와 공기를 공급하는 분리판(Bipolar plate)으로 이루어진 단위 전지(cell)가 다수 적층되어 이루어진다.

상기 연료극의 수소는 수소이온과 전자로 분리되어 수소이온은 상기 연료극과 공기극의 사이에 구비된 전해질막을 통해 공기극 쪽으로 이동하여 이에 공급된 산소와 결합하여 물을 생성하면서 부수적으로 열을 발생시키고, 이때 상기 수소이온과 분리된 전자가 외부 도선을 타고 공기극 쪽으로 이동하는 것에 의하여 전류가 발생된다.

따라서, 연료전지는 상기 연료극과 공기극의 면적 전체에 걸쳐 골고루 각각 수소와 공기가 공급되고, 이들이 각 전극의 촉매와 원활하게 반응하여야 하며, 전해질막을 통한 수소이온의 이동이 원활히 이루어져야 효율적인 발전이 이루어지게 된다.

즉, 연료전지는 상기 막전극조합체(MEA)의 면적 전체에 걸쳐 균일한 반응이 활발히 이루어져야 우수한 발전성능을 갖게 되는데 이는 판상의 각 구성부들을 밀착시키는 스택의 체결압력에 크게 영향 받게 된다.

한편, 분리판들이 적층된 스택의 조립상태를 유지하기 위하여 하여 종래에는 타이바아로 스택을 관통시키고 그 단부에 너트를 체결하여 고정하거나, 도 1에 도시된 바와 같이 복수의 밴드(13 ; 벨트의 경우도 동일, 이하 '밴드'만을 지칭하여 설명한다.)로 스택(10)의 주위를 둘러싸서 고정하는 방법을 사용하였었다.

예를 들어 상기 밴드(13)는 두께 0.025inch, 폭 2.5inch, 인장강도 26,000psi 정도의 스테인레스 스틸로 이루어지며, 이와 같은 스틸밴드를 스택(10)의 외주부에 두른 뒤 그 단부를 상기 엔드플레이트(12)에 용접함으로써 스택(10)이 소정의 체결압을 가지고 조립상태를 유지할 수 있도록 되어 있었다.

그런데 상기와 같이 밴드를 이용하여 체결한 연료전지 스택에 있어서는 구조적으로 스택 중심부의 체결압력이 낮게 형성된다는 문제점이 있었다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 밴드(13)에 의해 강하게 눌려지는 분리판(11)의 상하 모서리 부분에는 과도한 체결압력이 형성되는 반면, 일정 수준 이상의 체결압이 작용하여야 할 중심 부분에는 오히려 체결압력이 약하게 형성되어 각 셀(cell)간 접촉저항이 증가됨으로써 스택의 발전효율이 저하되는 문제점이 있었다.

따라서, 상기와 같이 분리판의 체결압력이 전체적으로 균일하게 형성되지 못하고 더욱이 중심부의 체결압력이 약하게 형성됨으로써 분리판이 변형될 뿐만 아니라 시일링(sealing)에 필요한 필요 압력이 충분히 형성되지 않음으로써 스택 내부의 작동가스와 유체가 외부로 누출되는 현상이 발생하여 스택이 정상적으로 작동할 수 없게 되는 문제점이 있었다.

그러나 스택 중심부의 체결압 강화를 위하여 밴드의 체결강도를 증가시키면 분리판의 상하 모서리에 가해지는 압력이 과도하게 증가하여 분리판의 파손이 유발 되는 곤란함이 있었다.

또한, 종래에는 상기 복수의 밴드(13)를 엔드플레이트(12)에 용접하여야만 하므로 스택 체결을 위한 작업 공수가 증가되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 분리판 중심부의 체결압력을 보강할 수 있게 되어 각 셀 간의 접촉저항이 감소됨으로써 발전효율이 향상되고, 분리판 전체적으로 압력분포가 균일해짐으로써 분리판의 변형이 방지될 뿐만 아니라 스택의 시일성능이 향상되며, 원하는 특정 부위의 체결강도만을 증가시킬 수 있게 됨으로써 분리판 모서리부에 과도한 체결압이 가해져 분리판이 파손되는 현상을 방지할 수 있게 되고, 또한, 이음이 없는 밴드를 사용할 수 있게 되어 용접을 실시할 필요가 없게 됨으로써 스택 조립 공수가 감소될 수 있도록 된 밴드 체결형 연료전지 스택을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다수의 적층된 분리판과, 상기 적층된 분리판의 양측 끝부분에 위치하는 엔드플레이트와, 상기 분리판 및 엔드플레이트 전체를 감싸는 밴드와, 상기 엔드플레이트와 밴드의 사이에 설치되는 다수의 신축장치로 구성된다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 밴드 체결형 연료전지 스택의 구성도이고, 도 4의 (a),(b)는 본 발명의 일 구성인 신축장치의 작동 상태도로서, 본 발명은 다수 적층된 분리판(11)과, 상기 적층된 분리판(11)의 양측 끝부분에 위치하는 엔드플레이트(12)와, 상기 분리판(11) 및 엔드플레이트(12) 전체를 감싸는 밴드(13)와, 상기 엔드플레이트(12)와 밴드(13)의 사이에 설치되는 다수의 신축장치(20)로 구성된다.

따라서, 상기 신축장치(20)의 신장 및 수축 길이를 조절함으로써 밴드(13)의 체결강도를 조절할 수 있으며, 다수의 신축장치(20) 중에서 원하는 부위의 신축장치만을 조절하여 특정부위의 체결압력을 조절할 수 있게 된다.

상기 신축장치(20)는 도 4의 (a),(b)에서와 같이 중간에 위치하는 너트(21)와, 그 너트(21)의 상/하부로 각각 삽입 체결되는 상부볼트(22) 및 하부볼트(23)로 이루어지는데, 상기 상부볼트(22)와 하부볼트(23)에 형성되는 나사산(22a,23a)은 서로 그 형성방향이 반대 방향으로 이루어진다. 이에 맞추어 상기 너트(21)의 나사홀 역시 중간 지점을 기준으로 그 상부와 하부가 각각 상기 대응 나사산(22a,23a)에 일치하도록 서로 반대 방향으로 형성되어 있음은 물론이다.

따라서, 상기 너트(21)를 일측 방향으로 회전시켰을 때 (a)의 경우와 같이 너트(21)의 내측으로 상/하부볼트(22,23)가 이동하여 신축장치(20) 전체의 길이가 감소하게 되고, 상기 너트(21)를 타측 방향으로 회전시켰을 때 (b)의 경우와 같이 너트(21)로부터 상/하부볼트(22,23)가 모두 외측으로 이동하여 신축장치(20)의 길이가 신장되는 방식으로 작동하게 된다.

따라서, 사용자는 상기 (a),(b)의 경우와 같이 너트(21)를 회전시켜 신축장치(20)의 길이를 신장 및 감소 조절함으로써 엔드플레이트(12)에 대해 신축장 치(20)가 밴드(13)를 밀어내는 강도를 조절하여 밴드(13)에 의한 스택(10) 체결강도를 조절할 수 있게 된다. 즉, 스택(10)을 구성하는 각 분리판(11)들에 형성되는 압력분포를 조절할 수 있게 된다.

한편, 상기 신축장치(20)의 밴드(13)와 맞닿게 되는 일측 볼트에는 그 상면에 밴드(13)의 길이방향에 대하여 수직한 방향으로 직사각형의 지지플레이트(24)가 형성된다. 상기 지지플레이트(24)는 그에 맞닿는 밴드(13)의 폭 전체를 지지할 수 있는 길이로 형성된다.

따라서, 볼트에 의한 가압력이 지지플레이트(24)를 통해 밴드(13)의 폭 전체로 전달됨으로써 그 지지상태가 안정적으로 유지될 뿐만 아니라, 볼트에 의한 밴드(13)의 손상도 방지할 수 있게 된다.

도 6은 밴드(13)와 상기 신축장치(20)를 이용하여 스택(10)을 조립한 상태의 도면이다. 도시된 바와 같이 상기 신축장치(20)는 엔드플레이트(20)의 면적 전체에 걸쳐 일정 간격마다 규칙적으로 배치될 수 있는데, 이와 같은 배치 상태로 인하여 스택(10)을 구성하는 각 분리판(11)에는 도 7에 도시된 바와 같이, 전체적으로 균일한 압력분포가 형성된다.

특히, 도면에서 확인할 수 있는 것처럼 분리판(11)의 상하 모서리부에 과도한 압력이 형성되지 않으며 그에 대하여 분리판(11)의 중간 부분에도 체결압력이 약하게 형성되지 않고 모서리부와 동등한 크기의 체결압력이 전술한 바와 같이 전체적으로 균일하게 형성된다.

따라서, 각 셀 간의 접촉저항이 감소하여 스택의 발전효율이 향상된다.

또한, 체결압력이 전체적으로 균형있게 작용함으로써 사용기간의 경과 및 작동 중 발생 열에 대해서 분리판의 변형이 최대한 억제되어 시일링 상태가 양호하게 유지됨으로써 내부의 작동 가스 및 유체의 누출로 스택의 성능이 저하되지 않게 된다.

한편, 상기와 같이 다수의 신축장치(20)가 사용될 때 특정 위치의 신축장치(20)의 신축정도를 조절함으로써 특정 부분에 원하는 체결압력을 형성할 수 있게 되는 장점이 있다.

즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 시일(30)이 설치된 위치에 해당되는 신축장치(20)들을 그렇지 않은 부분의 신축장치(가운데 도시된 것)에 비하여 더 신장시켜 밴드(13)에 의한 체결력을 강화시킴으로써 시일(30) 설치위치의 체결압력을 증가시켜 시일(30)에 의한 시일링 성능을 보다 향상시킬 수 있게 된다.

상기와 같이 체결압력을 증가시키고자 하는 부분에만 선택적으로 체결압력을 증가시킬 수 있게 되어 체결압력이 부족한 분리판의 중간부분만 체결압력을 증가시킬 수 있게 됨으로써 종래와 같이 중간 부분의 체결압 증강을 위하여 전체 체결압을 증가시킬 필요가 없게 되어 분리판의 상하 모서리 부분에 과도한 체결압력이 형성되는 것을 막을 수 있게 되었다. 따라서, 분리판의 변형과 파손을 방지할 수 있게 된다.

또한, 종래에는 띠(帶)형의 밴드를 스택 주변으로 둘러 소정 압력으로 당긴 상태에서 엔드플레이트에 용접하여 고정함으로써 작업 공수가 증가하였으나, 본 발명에 따르면 이음이 없는 고리(環)형으로서 이음이 없으며 내주 길이가 스택의 둘 레 길이 보다 상기 신축장치들을 수용할 수 있을 정도로 큰 밴드를 사용하여, 먼저 밴드를 스택의 둘레에 씌운 뒤, 밴드와 엔드플레이트 사이에 상기와 같이 신축장치들을 개재하고 그 신축정도를 조정하여 밴드에 장력을 형성시켜 스택을 조여줄 수 있게 됨으로써, 전술한 바와 같이 고리(環)형의 이음이 없는 밴드를 사용할 수 있게 된다.

따라서, 밴드를 당긴 상태에서 용접을 실시하는 난해한 작업을 실시할 필요가 없게 됨으로써 작업공수가 크게 줄게 된다.

한편, 본 발명에 따른 신축장치는 다양하게 구성하여 사용할 수 있는 바, 그 다른 한 예를 도 9를 참조하여 설명한다.

또 다른 구성의 신축장치(40)는 랙과 피니언 기어를 활용한 것으로, 사각관체 형상인 하우징(41)과, 상기 하우징(41)의 상부와 하부에 각각 삽입되어 상하방향으로 슬라이딩 이동가능하고 서로 마주보는 면에 각각의 랙기어(42a,43a)가 형성된 상부가압부재(42)와 하부가압부재(43), 이들 상부가압부재(42)와 하부가압부재(43)의 사이에 설치되어 상기 랙기어(42a,43a)에 치합되는 피니언기어(44)를 포함하여 구성된다.

따라서, 상기 피니언기어(44)의 조작방향에 따라 상기 상부가압부재(42)와 하부가압부재(43)가 하우징(41)으로부터 돌출되어 전체 길이가 증가되기도 하고, 또는 하우징(41)의 내측으로 인입되어 전체 길이가 수축되기도 하는 신축장치로서의 기능을 발휘하게 된다.

한편, 상기 피니언기어(44)는 상기 하우징(41)의 중간 부분을 관통하는 회전 축(45)에 설치된다.

상기 회전축(45)은 상기 하우징(41)보다 긴 길이로 형성되고, 그 일단에는 중앙에 육각의 공구홈(46a)이 형성된 스토퍼휠(46)이 장착되며, 타단에는 원판형 부재(47)가 고정된다.

또한, 상기 스토퍼휠(46)에 대응되는 상기 하우징(41)의 외측면에는 상기 스토퍼휠(46)이 삽입되는 고정홈(41a)이 형성되어 있으며, 이 고정홈(41a)과 상기 스토퍼휠(46)은 각각 세레이션(serration)가공되어 스토퍼휠(46)이 고정홈(41a)의 내부로 삽입되면 스토퍼휠(46)의 회전이 방지되도록 되어 있다.

따라서, 상기 스토퍼휠(46)을 실선 위치에서 회전시켜 회전축(45)과 일체로 상기 피니언기어(44)를 회전시킴으로써 그 방향에 따라 상/하부가압부재(42,43)를 신장 또는 축소 방향으로 이동시킬 수 있게 되며, 이와 같이 적절히 신축장치(40)의 길이를 조절한 후에는 상기 스토퍼휠(46)을 점선 위치 즉, 상기 고정홈(41a)내로 삽입하여 세레이션 결합에 의하여 고정시키면 피니언기어(44)의 고정에 의하여 상/하부가압부재(42,43)가 조절된 위치에 고정되어 있게 되므로 밴드(13)를 통해 설정된 체결압력을 유지할 수 있게 된다.

한편, 신축장치(40)의 신축정도를 재조절할 필요가 있을 경우에는 상기 원판형부재(47)를 돌출된 점선 위치에서 실선 위치로 이동시키면 고정홈(41a)으로부터 스토퍼휠(46)이 빠져나오게 되므로 다시 공구를 사용하여 스토퍼휠(46)의 회전방향 위치를 조절할 수 있게 되며, 조절후 스토퍼휠(46)을 고정홈(41a)의 내부로 삽입할때도 상기 원판형 부재(47)를 잡아당겨 줌으로써 삽입 조작을 보다 용이하게 실시 할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 분리판 모서리부의 체결압 과도 증가 없이 중심부 또는 시일 설치부 등의 필요 부분의 체결압력을 적절히 보강함과 동시에 분리판 전체적으로 균일한 압력분포를 형성할 수 있게 됨으로써 각 셀 간의 접촉저항이 감소되어 발전효율이 향상되고, 시일성능이 향상되며, 분리판의 파손 및 변형을 방지할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 고리형의 이음이 없는 밴드를 사용할 수 있게 되어 용접을 실시할 필요가 없게 됨으로써 스택 조립 공수가 감소되는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 다수의 적층된 분리판(11)과, 상기 분리판(11)의 양측 끝부분에 위치하는 엔드플레이트(12)와, 상기 분리판(11) 및 엔드플레이트(12) 전체를 감싸는 밴드(13)와, 상기 엔드플레이트(12)와 밴드(13)의 사이에 설치되는 다수의 신축장치를 포함하여 구성되는 밴드 체결형 연료전지 스택.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 신축장치는 중간에 위치하는 너트(21)와, 그 너트(21)의 상/하부로 각각 삽입 체결되는 상부볼트(22) 및 하부볼트(23)로 이루어지고, 상기 상부볼트(22)와 하부볼트(23)는 서로 반대 방향으로 나사산(22a,23a)이 형성된 것을 특징으로 하는 밴드 체결형 연료전지 스택.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 신축장치의 일측 볼트의 상면에 밴드(13)의 길이방향에 대하여 수직한 방향으로 상기 밴드(13)의 폭 전체를 지지할 수 있는 길이의 직사각형 지지플레이트(24)가 형성된 것을 특징으로 하는 밴드 체결형 연료전지 스택.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 밴드(13)는 이음이 없는 고리(環)형으로 형성된 것을 특징으로 하는 밴드 체결형 연료전지 스택.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 신축장치는 사각관체 형상인 하우징(41)과, 상기 하우징(41)의 상부와 하부에 각각 삽입되어 상하방향으로 슬라이딩 이동가능하고 대응면에 각각의 랙기어(42a,43a)가 형성된 상부가압부재(42)와 하부가압부재(43), 상기 상부가압부재(42)와 하부가압부재(43)의 사이에 설치되어 상기 랙기어(42a,43a)에 치합되는 피니언기어(44)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 밴드 체결형 연료전지 스택.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 피니언기어(44)는 상기 하우징(41)의 중간 부분을 관통하는 회전축(45)에 설치되고, 상기 회전축(45)은 상기 하우징(41)보다 긴 길이로 형성되며, 그 일단에 중앙에 육각의 공구홈(46a)이 형성된 스토퍼휠(46)이 장착되고, 상기 하우징(41)의 외측면에 상기 스토퍼휠(46)이 삽입되는 고정홈(41a)이 형성되며, 상기 고정홈(41a)과 상기 스토퍼휠(46)은 각각 세레이션(serration) 가공되어 상호 결합 및 이탈 가능하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 밴드 체결형 연료전지 스택.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 회전축(45)의 타단에 원판형 부재(47)가 고정된 것을 특징으로 하는 밴드 체결형 연료전지 스택.

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