KR20090062349A - 연료전지용 스택 체결 기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 스택 체결 기기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에 와이어를 사용하여 체결함으로써, 와이어의 넓은 탄성영역을 활용함에 따라 연료전지의 면압을 균일하게 유지할 수 있고, 적은 재료를 사용하고도 고강도 체결력을 확보함으로써, 연료전지를 경량화하고 패키지 효율성을 극대화시킬 수 있는 연료전지용 스택 체결 기기에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 스택 양단부에 장착된 엔드 플레이트를 체결하는 와이어와, 업 엔드 플레이트의 상부에 텐션 볼트로 장착되어 상기 와이어의 텐션을 조정하는 텐셔너와, 텐셔너의 상하 이동을 안내하기 위해 중앙홈을 구비하되, 상기 텐셔너를 감싸는 구조로 형성되는 텐션 가이드와, 텐셔너 양측에 설치되어 스택 상부의 와이어를 안내하는 상부 가이드와, 다운 엔드 플레이트의 하부 양측에 장착되어 스택 하부의 와이어를 안내하는 하부 가이드로 이루어지는 연료전지용 스택 체결 기기를 제공한다.

와이어, 연료전지, 스택, 텐셔너, 면압, 플레이트

Description

연료전지용 스택 체결 기기{Stack assembly device for fuel cell}

본 발명은 연료전지용 스택 체결 기기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에 와이어를 사용하여 체결함으로써, 와이어의 넓은 탄성영역을 활용함에 따라 연료전지의 면압을 균일하게 유지할 수 있고, 적은 재료를 사용하고도 고강도 체결력을 확보함으로써, 연료전지를 경량화하고 패키지 효율성을 극대화시킬 수 있는 연료전지용 스택 체결 기기에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 스택이란 단위셀을 반복적으로 적층하여 쌓은 전기 에너지 발생 장치를 말한다.

이러한 연료전지 스택은 분리판, 가스 확산층(GDL), 가스킷 등이 100~200개씩 적층으로 구성되고, 그 양단을 엔드 플레이트가 지지하게 된다.

또한, 양단의 엔드 플레이트는 밴드 또는 긴 전산 나사를 이용하여 체결하는 것이 통상적이다.

그러나, 스택 구성중 고무 재질로 이루어진 가스킷은 점탄성(Visco-Elastic) 특성을 띠고 있어, 시간이 지남에 따라 초기의 체결력이 저하되는 경향이 있으며, 스택이 작동하는 온도에 따라 그 특성이 달라져 균일한 체결력을 유지하기 어려운 문제점이 있다.

이러한 가스킷의 불안전한 체결력을 보완하기 위해 양단의 엔드 플레이트는 볼트 또는 밴드에 의해 체결되고 있는데, 이하, 첨부 도면을 참조하여 종래 연료전지 스택 체결 구조의 문제점을 살펴보기로 한다.

첨부한 도 1a는 종래 볼트 방식 연료전지 스택 체결 구조의 개시도이고, 도 1b는 종래 밴드 방식 연료전지 스택 체결 구조의 개시도이다.

도 1a에서 도시한 바와 같이, 볼트(10)를 사용하여 엔드 플레이트(20)를 체결하는 경우, 전체적인 스택(50)의 부피가 증가하여 스택(50)을 패키지화하는 것이 어렵고, 볼트(10) 무게로 인해 스택(50)의 중량이 증가하며, 볼트(10)의 길이 방향으로 하중 작용시 스레드(Thread)부에 응력이 집중되어 그 부위가 손쉽게 파손되는 문제점이 있다.

도 1b에서 도시한 바와 같이, 밴드(30)를 사용하여 엔드 플레이트(20)를 체결하는 경우, 스택(60)에 대한 면압 조정이 불가능해지고, 밴드(30) 치수가 불균일하여 초기 면압 콘트롤이 어려워지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 스택 양단부에 장착된 엔드 플레이트를 체결하는 와이어와, 업 엔드 플레이트의 상부에 텐션 볼트로 장착되어 상기 와이어의 텐션을 조정하는 텐셔너와, 텐셔너의 상하 이동을 안내하기 위해 중앙홈을 구비하되, 상기 텐셔너를 감싸는 구조로 형성되는 텐션 가이드와, 텐셔너 양측에 설치되어 스택 상부의 와이어를 안내하는 상부 가이드와, 다운 엔드 플레이트의 하부 양측에 장착되어 스택 하부의 와이어를 안내하는 하부 가이드로 이루어짐으로써, 와이어의 넓은 탄성영역을 활용함에 따라 연료전지의 면압을 균일하게 유지할 수 있고, 적은 재료를 사용하고도 고강도 체결력을 확보함으로써, 연료전지를 경량화하고 패키지 효율성을 극대화시킬 수 있는 연료전지용 스택 체결 기기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은

연료전지용 스택 체결 기기에 있어서,

스택 양단부에 장착된 엔드 플레이트를 체결하는 와이어와;

업 엔드 플레이트의 상부에 텐션 볼트로 장착되어 상기 와이어의 텐션을 조정하는 텐셔너와;

상기 텐셔너의 상하 이동을 안내하기 위해 중앙홈을 구비하되, 상기 텐셔너 를 감싸는 구조로 형성되는 텐션 가이드와;

상기 텐셔너 양측에 설치되어 스택 상부의 와이어를 안내하는 상부 가이드와;

다운 엔드 플레이트의 하부 양측에 장착되어 스택 하부의 와이어를 안내하는 하부 가이드;

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 텐셔너는 업 엔드 플레이트의 상부에 텐션 볼트로 장착되되, 나사 이동 방식에 의해 상하 높이가 조절되어 상기 와이어의 텐션을 조정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 텐셔너, 상부 가이드 및 하부 가이드는 상기 와이어가 안착되는 부위에 안내홈이 형성되어 상기 와이어가 서로 꼬이지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하부 가이드는 걸림홈이 상기 하부 가이드 안내홈에 직각으로 길게 형성되되, 상기 와이어의 양단부는 상기 걸림홈에 끼워지는 걸림쇠가 장착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 와이어는 피아노 강선 또는 형상기억 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이상에서 본 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지용 스택 체결 기기는 다음과 같은 효과를 제공한다.

1)연료전지 스택에 와이어를 사용하여 체결함으로써, 와이어의 넓은 탄성영역을 활용함에 따라 연료전지의 면압을 균일하게 유지할 수 있다.

2)적은 재료를 사용하고도 고강도 체결력을 확보함으로써, 연료전지를 경량화하고 패키지 효율성을 극대화한다.

3)텐셔너의 상하 이동에 의해 와이어의 장력을 조절하여 연료전지 면압을 조정하고, 연료전지 면압과 직결되는 장력을 쉽게 측정할 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택 체결 기구의 상부 개시도이고, 도 3은 도 2의 하부 개시도이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 연료전지 스택 체결 기구의 상세도이다.

도 2 및 도 3에서 도시한 바와 같이, 본 발명은 업 엔드 플레이트(100)의 상부에 장착된 텐셔너(110) 및 상부 가이드(130)에 와이어(200)를 감고, 다운 엔드 플레이트(140)의 하부에 장착된 하부 가이드(150)에 걸림쇠(160)를 삽입하여 연료전지 스택을 체결함으로써, 연료전지 면압을 균일하게 유지할 수 있는 연료전지 스택 체결 기구를 제공한다.

본 발명에 사용되는 와이어(200)는 일단부가 하부 가이드(150)의 걸림홈(151)에 끼워지는 걸림쇠(160)와 연결되되, 업 엔드 플레이트(100) 상부에 장착된 상부 가이드(130) 및 텐셔너(110)에 감기고, 하부 가이드(150)의 다른 걸림홈에 걸림쇠를 매개로 장착된다.

여기서, 상기 와이어(200)는 피아노 강선으로 이루어지는 것이 바람직한데, 이 피아노 강선은 통상 스프링강 재질로 이루어지되, 그 직경이 0.1~5mm로 형성되고, 필요에 따라 꼬아서 로프를 만들어 사용하는 것이 가능하다.

특히, 스프링강 재질로 이루어진 피아노 강선의 원형 단면 직경이 약 1mm를 갖는 경우 파열하중이 약 1230 N이고, 인장강도가 약 1516 MPa에 달하게 된다.

또한, 상기 피아노 강선이 드로잉(Drawing) 등의 공정을 통해 와이어(200)로 제작되면, 기존의 볼트나 밴드 등에서 발생되던 불순물, 기공 등의 결함을 최소화하여, 이론값에 가까운 강도를 얻음으로써, 연료전지 스택이 경량화 및 패키지화되는 것을 돕게 된다.

덧붙여, 상기 와이어(200)를 초탄성 합금(Super elastic alloy)으로 사용시 탄성영역을 스프링강에 비해 8~10배 정도 증가시킬 수 있고, 형상기억 합금으로 사 용시 연료전지 작동 온도(섭씨 약 80도)에서 스택의 열팽창에 따른 면압 변화에 대한 와이어(200)의 보정이 용이하게 이루어진다.

상기 와이어(200)의 텐션을 조정하기 위해 업 엔드 플레이트(100)의 상부에는 도 4에서 도시한 바와 같이, 복수의 텐셔너(110)가 텐션 볼트(111)에 의해 장착되되, 나사식으로 상하 위치 조절이 가능하여 그 높이에 따라 와이어(200)의 텐션을 조절하게 된다.

즉, 나사를 일방향으로 회전시켜 텐셔너가 상승하는 경우 와이어의 텐션은 증가하고, 나사를 상기와 반대 방향으로 회전시켜 텐셔너가 하강하는 경우 와이어의 텐션이 감소함으로써, 와이어의 장력 상태에 따라 텐셔너의 높이를 조절하여 연료전지의 면압을 유지시킬 수 있게 된다.

이때, 텐셔너(110)의 상면에는 일정 간격으로 안내홈(112)이 형성되어 텐셔너(110)에 의해 지지된 와이어(200)가 서로 꼬이지 않도록 한다.

덧붙여, 상기 텐셔너(110)가 장착되는 위치에 텐셔너(110)를 대신하여 와이어(200)를 감는 래칫 휠(Rachet Wheel)이 설치되는 것이 가능하며, 이 경우 와이어(200) 길이에 대한 조정 범위가 커져, 와이어(200) 초기 체결시 프레스 없이도 와이어(200)를 조립하는 것이 가능해진다.

또한, 상기 텐셔너(110)의 양단부에는 중앙홈이 형성된 "ㄷ"자형의 텐션 가이드(120)가 텐셔너(110)를 감싸는 방식으로 장착되어 텐셔너(110)의 상하 이동을 안내하게 된다.

여기서, 상기 텐션 가이드(120)는 양단부가 업 엔드 플레이트(100)의 상면에 접하도록 평평한 돌출면(121)이 형성되되, 이 돌출면(121)에 볼트(122)가 결합하여 텐션 가이드(120)가 업 엔드 플레이트(100)에 고정될 수 있도록 한다.

도 5에서 도시한 바와 같이, 업 엔드 플레이트(100)의 상부인 텐셔너(110)의 양측에는 상부 가이드(130)가 볼트(132)에 의해 장착되어 텐셔너(110) 양측으로 뻗어 나오는 와이어(200)를 하방향으로 가이드하게 된다.

이때, 상기 상부 가이드(130)는 와이어(200)가 닿는 2개의 면에 안내홈(131)이 형성되어 와이어(200)가 서로 간섭되지 않도록 하되, 이 상부 가이드(130)의 안내홈(131)은 와이어(200)에 응력이 집중되는 것을 방지하기 위해 곡면으로 가공되는 것이 바람직하다.

덧붙여, 도 5 및 도 6에서 도시한 바와 같이, 다운 엔드 플레이트(140)의 하면에는 하부 가이드(150)가 볼트(153)로 장착되어 다운 엔드 플레이트(140)로 진입하는 와이어(200)를 가이드하게 된다.

여기서, 상기 하부 가이드(150)는 일면에 상부 가이드(130)와 마찬가지로 일정한 간격의 안내홈(152)이 형성되고, 이 하부 가이드(150)의 안내홈 일측에는 걸림홈(151)이 직각으로 길게 형성되어 와이어(200) 단부에 장착된 걸림쇠(160)가 끼워질 수 있도록 한다.

즉, 와이어(200) 양단부에 장착된 걸림쇠(160)가 다운 엔드 플레이트(140) 양측에 설치된 하부 가이드(150) 걸림홈(151)에 끼워짐으로써, 상기 와이어(200)는 일정한 텐션으로 팽팽함을 유지하게 되고, 와이어(200)가 감겨진 텐셔너(110)의 높이에 따라 그 텐션이 조절된다.

그리고, 상기 걸림쇠(160)는 원통형 금속 부재로 길게 형성되어 다수의 와이어(200)가 일정 간격으로 연결되도록 한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1a는 종래 볼트 방식 연료전지 스택 체결 구조의 개시도,

도 1b는 종래 밴드 방식 연료전지 스택 체결 구조의 개시도,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택 체결 기구의 상부 개시도,

도 3은 도 2의 하부 개시도,

도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 연료전지 스택 체결 기구의 상세도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 업 엔드 플레이트 110 : 텐셔너

120 : 텐션 가이드 130 : 상부 가이드

140 : 다운 엔드 플레이트 150 : 하부 가이드

160 : 걸림쇠 200 : 와이어

Claims (5)

1. 스택 양단부에 장착된 엔드 플레이트를 체결하는 와이어와;

   업 엔드 플레이트의 상부에 장착되어 상기 와이어의 텐션을 조정하는 텐셔너와;

   상기 텐셔너의 상하 이동을 안내하기 위해 중앙홈을 구비하되, 상기 텐셔너를 감싸는 구조로 형성되는 텐션 가이드와;

   상기 텐셔너 양측에 설치되어 스택 상부의 와이어를 안내하는 상부 가이드와;

   다운 엔드 플레이트의 하부 양측에 장착되어 스택 하부의 와이어를 안내하는 하부 가이드;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택 체결 기기.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 텐셔너는 업 엔드 플레이트의 상부에 텐션 볼트로 장착되되, 나사 이동 방식에 의해 상하 높이가 조절되어 상기 와이어의 텐션을 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택 체결 기기.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 텐셔너, 상부 가이드 및 하부 가이드는 상기 와이 어가 안착되는 부위에 안내홈이 형성되어 상기 와이어가 서로 꼬이지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택 체결 기기.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 하부 가이드는 걸림홈이 상기 하부 가이드 안내홈에 직각으로 길게 형성되되, 상기 와이어의 양단부는 상기 걸림홈에 끼워지는 걸림쇠가 장착되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택 체결 기기.
5. 청구항 1 내지 청구항 4중 어느 한 항에 있어서, 상기 와이어는 피아노 강선 또는 형상기억 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택 체결 기기.

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