KR20090034122A - 연료 전지용 스택 - Google Patents

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KR20090034122A
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Abstract

본 발명은 연료와 산화제의 전기화학반응에 의해 전기를 생성하는 연료 전지용 스택에 관한 것으로서, 연료와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 발전부, 발전부들이 다수 개 적층된 집합체의 양 끝단에 각각 위치하는 엔드 플레이트, 및 발전부들과 엔드 플레이트들을 상호 결합시키는 체결부재를 포함한다. 그리고, 체결부재는 발전부들과 엔드 플레이트들이 적층된 집합체의 중심 영역을 관통하여 결합시키는 중앙 체결부재, 및 발전부들과 엔드 플레이트들이 적층된 집합체의 외곽 테두리에 위치하면서 엔드 플레이트들에 각각 단부가 걸쳐져 끼워짐으로써 체결압을 가하는 외곽 체결부재를 포함한다. 즉, 본 발명의 연료 전지용 스택은 볼트너트용 중앙 체결부재가 스택의 중심영역에서 높은 체결력으로 설치되고, 브라켓용 외곽 체결부재가 스택의 외곽 테두리에서 미세한 체결 불균일을 조정하도록 설치된다. 이로 인해, 본 발명의 연료 전지용 스택은 종래기술에 따른 중앙 체결구조를 갖는 연료 전지용 스택에 비해 전체 부피가 감소되면서, 단위 부피당 생성할 수 있는 전기 에너지의 출력이 향상된다.
연료 전지, 스택, 중앙 체결, 볼트, 너트, 브라켓

Description

연료 전지용 스택{Stack for Fuel Cell}
본 발명은 연료와 산화제의 전기화학반응에 의해 전기를 생성하는 연료 전지용 스택에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 전기화학반응이 이루어지는 발전부들과 이런 발전부들이 적층된 양 끝단에 위치하는 엔드 플레이트의 체결구조를 개선한 연료 전지용 스택에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel Cell)는 연료의 산화 반응, 및 이 연료와 별도인 산화제 가스의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전장치이다. 연료 전지는 연료의 종류에 따라 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)로 구분된다.
고분자 전해질형 연료 전지는 액체 연료 또는 가스 연료로부터 개질된 개질 가스, 및 공기와 같은 산화제 가스를 제공받는다. 그리고, 고분자 전해질형 연료 전지는 개질 가스의 산화 반응과 산화제 가스의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다. 이런 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고, 작동 온도가 낮으며, 빠른 시동 및 응답 특성을 갖는다. 그래서, 고분자 전해질형 연료 전지는 자동차와 같은 이동용 전원, 건물과 같은 분산용 전 원, 및 전자기기용과 같은 소형 전원으로 널리 사용되고 있다.
직접 산화형 연료 전지는 액체 연료 및 공기를 제공받아서, 연료의 산화 반응과 산화제 가스의 환원 반응에 따라 전기 에너지를 발생시킨다.
이와 같은 연료 전지는 전기 에너지를 생성하는 최소 단위(단위 셀)인 발전부를 구비한다. 발전부는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly, 이하 MEA라 한다), 및 상기 MEA를 사이에 두고 그 양측에 구비되는 세퍼레이터(Separator)를 포함한다. 그리고, 발전부는 수 개 내지 수십 개가 연속적으로 배열 적층되고, 이렇게 적층된 발전부들의 양 끝단에 엔드 플레이트가 결합됨으로써, 하나의 스택(Stack)을 구성한다.
도 8는 종래기술에 따른 중앙 체결구조를 갖는 연료 전지용 스택의 사시도이고, 도 9은 도 8에 도시된 엔드 플레이트의 평면도이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 종래기술의 연료 전지용 스택(300)은 체결성이 뛰어난 볼트너트용 체결부재를 이용하여, 발전부(310)들과 엔드 플레이트(350)를 하나의 스택으로 체결시키고 있다. 연료 전지용 스택(300)은 장변과 단변을 갖는 대략적인 사각 평면 형상을 갖는데, 일반적으로 볼트너트용 외곽 체결부재(370)가 사각 평면 형상의 각 코너에 위치한다.
종래기술의 연료 전지용 스택(300)은 가로길이에 해당하는 장변(L1)이 세로길이에 해당하는 단변(L2)에 비해 상대적으로 증가할수록, 볼트너트용 외곽 체결부재(370)의 체결압이 더 높아져야 한다. 하지만, 연료 전지용 스택(300)은 각 코너 의 체결압이 높아지면, 상대적으로 스택의 중심영역에서 발전부(310)들의 밀착력이 저하되어 전기 에너지 출력이 저하되는 문제점을 갖는다.
이와 같은 문제점을 개선하기 위해, 종래기술의 연료 전지용 스택(300)은 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 스택의 중심영역에 추가적으로 볼트너트용 중앙 체결부재(360)가 위치하여, 스택의 중심영역에서 발전부(310)들의 체결 밀착력을 향상시키고자 하는 중앙 체결구조에 관한 기술이 개발되었다.
하지만, 이런 연료 전지용 스택(300)의 중앙 체결구조 기술은 스택의 중심영역에 위치하는 볼트너트용 중앙 체결부재(360)가 차지하는 영역만큼 전기화학반응 면적이 감소하기 때문에, 스택이 차지하는 부피당 생성할 수 있는 전기 에너지의 출력이 감소될 가능성이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 스택의 중앙 체결구조를 적용시키면서도 스택이 차지하는 전체 부피를 감소시킴으로써 단위 부피당 생성할 수 있는 전기 에너지의 출력을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 연료 전지용 스택은 연료와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 발전부, 상기 발전부들이 다수 개 적층된 집합체의 양 끝단에 각각 위치하는 엔드 플레이트, 및 상기 발전부들과 상기 엔드 플레이트들을 상호 결합시키는 체결부재를 포함한다. 그리고, 상기 체결부재는 상기 발전부들과 상기 엔드 플레이트들이 적층된 집합체의 중심 영역을 관통하여 결합시키는 중앙 체결부재, 및 상기 발전부들과 상기 엔드 플레이트들이 적층된 집합체의 외곽 테두리에 위치하면서 상기 엔드 플레이트들에 각각 단부가 걸쳐져 끼워짐으로써 체결압을 가하는 외곽 체결부재를 포함한다.
상기 외곽 체결부재는 상기 발전부들과 상기 엔드 플레이트들이 적층된 집합체의 적층 방향을 따라 일정 길이 이상으로 길게 뻗어지는 몸체부와, 상기 몸체부의 양 끝단에서 각각 일 방향으로 절곡된 단부로 이루어진 부재이다.
상기 외곽 체결부재의 몸체부는 상기 발전부들과 상기 엔드 플레이트들이 적층된 집합체의 외곽 테두리에 대응하는 단면을 갖는다.
상기 발전부들과 상기 엔드 플레이트들이 적층된 집합체는 장변과 단변을 갖는 사각 평면 형상이고, 상기 외곽 체결부재는 상기 사각 평면 형상의 코너에 위치한다.
상기 외곽 체결부재는 상기 사각 평면 형상의 각 코너에서 상호 대향하도록 각각 설치된다.
상기 외곽 체결부재는 상기 사각 평면 형상의 장변에 각각 더 설치된다.
상기 발전부들과 상기 엔드 플레이트들이 적층된 집합체는 장변과 단변을 갖는 대략적인 사각 평면 형상으로서, 상기 사각 평면 형상의 코너가 내부 중심 영역으로 파여진 절취 홈 영역을 갖는다. 상기 외곽 체결부재는 상기 사각 평면 형상의 절취 홈 영역에 각각 위치한다.
상기 외곽 체결부재는 상기 사각 평면 형상의 각 코너에서 상호 대향하도록 각각 설치된다.
상기 외곽 체결부재는 상기 사각 평면 형상의 장변에 각각 더 설치된다.
상기 중앙 체결부재는 볼트와 너트로 구성된 부재이다.
본 발명의 연료 전지용 스택은 볼트너트용 중앙 체결부재가 스택의 중심영역에서 높은 체결력으로 설치되고, 브라켓용 외곽 체결부재가 스택의 외곽 테두리에서 미세한 체결 불균일을 조정하도록 설치된다. 이로 인해, 본 발명의 연료 전지용 스택은 종래기술에 따른 중앙 체결구조를 갖는 연료 전지용 스택에 비해 전체 부피가 감소되면서, 단위 부피당 생성할 수 있는 전기 에너지의 출력이 향상되는 장점이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 중앙 체결구조를 갖는 연료 전지용 스택의 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 실시예의 연료 전지용 스택(100)은 중앙 체결구조를 적용하여, 스택의 중심 영역에서 발전부(110)들이 높은 체결력으로 적층된다. 더욱이 제1 실시예는 종래기술과 달리 스택의 외곽 테두리에 브라켓용 외곽 체결부재(170)를 설치함으로써, 종래기술에 비해 스택이 차지하는 전체 부피를 감소시켜 단위 부피당 생성할 수 있는 전기 에너지의 출력을 향상시킨다.
연료 전지용 스택(100)은 연료와 산화제를 공급받아서, 연료의 산화 반응과 산화제 가스의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전부(110)를 구비한다. 여기서, 연료는 메탄올, 에탄올과 같은 알코올계 연료가 사용되고, 산화제 가스는 일반적으로 공기가 사용된다. 발전부(110)는 전기를 발생시키는 최소 단위로서, 일명 단위 셀(cell)이라고도 한다. 연료 전지용 스택(100)은 다수 개의 발전부(110)들이 연속적으로 배열된 집합체로 이루어진다. 이때, 연료 전지용 스택(100)은 다수 개의 발전부(110)들로부터 발생된 전기 에너지를 외부로 인출하기 위해서 전도성 소재의 전기 인출부(120)가 발전부(110)들의 외측으로 돌출되게 설치된다.
그리고, 연료 전지용 스택(100)은 발전부(110)들이 다수 개 적층된 집합체의 최 외측 양 끝단에 엔드 플레이트(150)가 각각 위치한다. 엔드 플레이트(150)는 외부 충격으로부터 발전부(110)들을 보호하기 위한 것으로서, 발전부(110)들로 연료 및 산화제를 공급하기 위한 포트가 각각 설치되어 있다.
그리고, 연료 전지용 스택(100)은 발전부(110)들과 엔드 플레이트(150)들을 상호 결합시키는 체결부재(160, 170)를 구비한다. 이런 체결부재(160, 170)는 발전부(110)들과 엔드 플레이트(150)들을 상호 결합시키기 위해 다음과 같은 위치에 설치된다. 다만, 발전부(110)들과 엔드 플레이트(150)는 대략적으로 동일한 평면 형상을 가지고 있으므로, 아래에서는 엔드 플레이트(150)를 기준으로 하여 체결부재(160, 170)의 설치 위치를 살펴보겠다.
도 2는 도 1에 도시된 엔드 플레이트의 평면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 엔드 플레이트(150)는 장변(L1)과 단변(L2)을 갖는 대략적인 사각 평면 형상을 갖는다. 이런 엔드 플레이트(150)에는 사각 평면 형상의 중심을 향하는 방향으로 파여진 절취 홈(151, 152, 153, 154)이 사각 평면 형상의 각 코너에 형성되어, 외곽 체결부재(170)는 사각 평면 형상의 절취 홈(151, 152, 153, 154) 영역에 각각 위치한다. 그리고, 엔드 플레이트(150)에는 사각 평면 형상의 중심 영역에 중앙 관통홀(156)이 형성되어, 중앙 체결부 재(160)는 사각 평면 형상의 중앙 관통홀(156)에 삽입 설치된다.
중앙 체결부재(160)는 볼트와 너트로 구성된 기계요소로서, 발전부(110)들과 엔드 플레이트(150)들을 상호 결합시키는데 필요한 체결력의 대부분을 제공한다. 반면, 외곽 체결부재(170)는 스택의 외곽 테두리에서 어느 설정된 임의의 위치에 각각 설치되는데, 미세한 체결 불균일을 조정하는 역할을 담당한다.
다수의 실험을 통해 확인해 본 바로는, 연료 전지용 스택(100)은 중앙 체결 구조가 적용되는 경우에 중앙 체결부재(160)에서 80% ~ 95% 정도의 체결력을 제공하고, 외곽 체결부재(170)가 나머지의 체결력을 지지하는 것으로 확인되었다. 즉, 외곽 체결부재(170)는 중앙 체결부재(160)와 같이 높은 체결력을 필요로 하지 않고, 미세한 체결 불균일을 조정하는 것이 바람직하다.
이때, 외곽 체결부재(170)는 발전부(110)들과 엔드 플레이트(150)들이 적층된 집합체에서 어느 한 쪽으로만 체결력이 전달되지 않도록, 사각 평면 형상의 각 코너에서 상호 대향하는 한 쌍 단위로 각각 설치되는 것이 바람직하다.
도 3은 도 1에 도시된 A영역을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 실시예의 외곽 체결부재(170)는 한 쌍의 엔드 플레이트(150)들에 그 단부가 각각 걸쳐진 상태로 끼워짐으로써, 다수 개의 발전부(110)들과 엔드 플레이트(150)들이 적층된 집합체에 미세한 체결압을 가하게 된다.
도 4는 도 1에 도시된 외곽 체결부재를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 외곽 체결부재(170)는 바 형태의 플레 이트로서 일명 브라켓으로 지칭될 수 있다. 외곽 체결부재(170)는 스택의 적층 방향을 따라 일정 길이 이상으로 길게 뻗어지는 몸체부(171)와, 이런 몸체부(171)의 양 끝단에서 각각 일 방향으로 절곡된 단부(172, 173)로 이루어진다. 외곽 체결부재(170)의 단부(172, 173)는 한 쌍의 엔드 플레이트(150)에 각각 걸쳐지는 부분이고, 외곽 체결부재(170)의 몸체부(171)는 다수 개의 발전부(110)들과 엔드 플레이트(150)들이 적층된 집합체 두께에 대응하는 부분이다.
이와 같은 구성으로 인해 제1 실시예의 연료 전지용 스택(100)은 종래기술에 따른 연료 전지용 스택(300)에 비교하여, 동일하게 중앙 체결구조가 적용되더라도 전체 부피가 감소될 수 있다. 제1 실시예의 연료 전지용 스택(100)과 종래기술의 연료 전지용 스택(300)은 도 2와 도 8을 비교하면, 그 전체 부피가 보다 확연하게 비교될 수 있다.
즉, 종래기술의 연료 전지용 스택(300)은 엔드 플레이트(350)의 사각 평면 형상의 각 코너에 볼트너트용 외곽 체결부재(370)가 설치될 수 있도록, 엔드 플레이트(350)의 사각 평면 형상의 각 코너가 외측으로 더 돌출되게 형성된다. 즉, 종래기술의 연료 전지용 스택(300)은 볼트너트용 외곽 체결부재(370)의 설치 영역이 필요하여, 장변 방향으로의 가로 길이(L3)와 단변 방향으로의 세로 길이(L4)가 더 돌출되게 형성된다.
반면, 제1 실시예의 연료 전지용 스택(100)은 다수 개의 발전부(110)들과 엔드 플레이트(150)들이 적층된 집합체의 외곽 테두리에 외곽 체결부재(170)가 끼워 져 밀착되게 설치된다. 이로 인해, 외곽 체결부재(170)는 종래기술의 외곽 체결부재(370)와 달리 설치 영역을 확보할 필요가 없기 때문에, 연료 전지용 스택(100)의 전체 부피도 종래기술에 비해 감소될 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 연료 전지용 스택에 외곽 체결부재가 추가적으로 설치된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1 실시예의 연료 전지용 스택(100)은 사각 평면 형상의 각 코너 뿐만 아니라, 외곽 테두리의 임의 지점에도 외곽 체결부재(180)가 상호 대향하는 한 쌍 단위로 설치될 수 있다. 즉, 연료 전지용 스택(100)은 사각 평면 형상의 중심 영역에서 중앙 체결부재(160)가 설치되어 있으므로, 사각 평면 형상의 장변이 길어질수록 외곽 테두리 영역에서 밀착력이 저하되는 가능성이 높아진다. 그러므로, 연료 전지용 스택(100)은 일례로 사각 평면 형상의 장변의 가운데 지점에 더 설치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 중앙 체결구조를 갖는 연료 전지용 스택의 사시도이고, 도 7은 도 6에 도시된 B영역을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 실시예의 연료 전지용 스택(200)은 제1 실시예와 같이 장변과 단변을 갖는 사각 평면 형상을 가지며, 외곽 체결부재(270)가 사각 평면 형상의 각 코너에 위치한다. 제2 실시예의 연료 전지용 스택(200)은 사각 평면 형상의 각 코너가 직각되게 형성되어 있으므로, 외곽 체결부재(270)도 사각 평면 형상의 각 코너에 대응하는 단면 형상을 갖는다.
즉, 외곽 체결부재(270)는 스택의 적층 방향을 따라 일정 길이 이상으로 길 게 뻗어지는 몸체부와, 이런 몸체부의 양 끝단에서 각각 일 방향으로 절곡되는 단부로 이루어진다. 외곽 체결부재(270)의 단부는 한 쌍의 엔드 플레이트(250)에 각각 걸쳐지고, 외곽 체결부재(270)의 몸체부는 다수 개의 발전부(210)들과 엔드 플레이트(250)들이 적층된 집합체의 각 코너에 대응하여 절곡된 단면으로 형성된다.
그리고, 제2 실시예의 외곽 체결부재(270)는 제1 실시예와 동일하게 사각 평면 형상의 각 코너에서 상호 대향하도록 각각 설치되고, 필요에 따라 사각 평면 형상의 장변에 각각 더 설치될 수도 있다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이 당연하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 중앙 체결구조를 갖는 연료 전지용 스택의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 엔드 플레이트의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 A영역을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 외곽 체결부재를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 연료 전지용 스택에 외곽 체결부재가 추가적으로 설치된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 중앙 체결구조를 갖는 연료 전지용 스택의 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 B영역을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 8은 종래기술에 따른 중앙 체결구조를 갖는 연료 전지용 스택의 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 엔드 플레이트의 평면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200, 300 : 연료 전지용 스택 110, 210, 310 : 발전부
150, 250, 350 : 엔드 플레이트 160, 260, 360 : 중앙 체결부재
170, 270, 370 : 외곽 체결부재

Claims (10)

  1. 연료와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 발전부;
    상기 발전부들이 다수 개 적층된 집합체의 양 끝단에 각각 위치하는 엔드 플레이트; 및
    상기 발전부들과 상기 엔드 플레이트들을 상호 결합시키는 체결부재를 포함하고,
    상기 체결부재는
    상기 발전부들과 상기 엔드 플레이트들이 적층된 집합체의 중심 영역을 관통하여 결합시키는 중앙 체결부재; 및
    상기 발전부들과 상기 엔드 플레이트들이 적층된 집합체의 외곽 테두리에 위치하면서 상기 엔드 플레이트들에 각각 단부가 걸쳐져 끼워짐으로써 체결압을 가하는 외곽 체결부재를 포함하는 연료 전지용 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외곽 체결부재는 상기 발전부들과 상기 엔드 플레이트들이 적층된 집합체의 적층 방향을 따라 일정 길이 이상으로 길게 뻗어지는 몸체부와, 상기 몸체부의 양 끝단에서 각각 일 방향으로 절곡된 단부로 이루어진 부재인 연료 전지용 스택.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 외곽 체결부재의 몸체부는 상기 발전부들과 상기 엔드 플레이트들이 적층된 집합체의 외곽 테두리에 대응하는 단면을 갖는 연료 전지용 스택.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전부들과 상기 엔드 플레이트들이 적층된 집합체는 장변과 단변을 갖는 사각 평면 형상이고, 상기 외곽 체결부재는 상기 사각 평면 형상의 코너에 위치하는 연료 전지용 스택.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 외곽 체결부재는 상기 사각 평면 형상의 각 코너에서 상호 대향하도록 각각 설치되는 연료 전지용 스택.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 외곽 체결부재는 상기 사각 평면 형상의 장변에 각각 더 설치되는 연료 전지용 스택.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전부들과 상기 엔드 플레이트들이 적층된 집합체는 장변과 단변을 갖 는 대략적인 사각 평면 형상으로서, 상기 사각 평면 형상의 코너가 내부 중심 영역으로 파여진 절취 홈 영역을 가지며,
    상기 외곽 체결부재는 상기 사각 평면 형상의 절취 홈 영역에 각각 위치하는 연료 전지용 스택.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 외곽 체결부재는 상기 사각 평면 형상의 각 코너에서 상호 대향하도록 각각 설치되는 연료 전지용 스택.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 외곽 체결부재는 상기 사각 평면 형상의 장변에 각각 더 설치되는 연료 전지용 스택.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 중앙 체결부재는 볼트와 너트로 구성된 부재인 연료 전지용 스택.
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