KR20090085291A - 연료 전지 스택의 체결 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 연료 전지 스택의 체결 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 막-전극 조립체 및 분리판이 교차하여 적층되어 형성되는 연료 전지 스택의 체결 장치는, 상기 연료 전지 스택의 양단에 각각 장착되어 상기 연료 전지 스택을 지지하는 한 쌍의 엔드 플레이트; 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 하나에 양 끝단이 관통하여 체결 요소에 고정되는 U 자형의 제 1 연결체; 및 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 다른 하나에 양 끝단이 관통하여 조임체에 고정되는 U 자형의 제 2 연결체;를 포함하고, 상기 제 1 연결체 및 상기 제 2 연결체의 만곡부가 서로 교차하여 형성되는 공간에 상기 연료 전지 스택이 체결되는 것을 특징으로 한다.

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Description

연료 전지 스택의 체결 장치{APPARATUS FOR FUEL CELL STACK ASSEMBLY}

본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 연료 전지 스택의 체결 장치에 관한 것이다.

연료 전지는 수소 또는 탄화수소 계열 연료와 산소로 대표되는 산화제의 전기화학 반응에 의해 전기 에너지를 얻는 발전 시스템으로, 연료를 연소시키지 않고 전기화학 반응을 통해 직접 에너지를 얻으므로 발전 효율이 높고 공해가 적어 실용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 연료 전지는 스택, 상기 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부 및 상기 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부로 구성되는데, 상기 스택은 적층된 수 개의 단위 전기 발생부를 구비하여 형성되며, 각각의 단위 전기 발생부는 연료의 산화 및 산화제의 환원을 통해 실질적으로 전기를 발생시키는 막-전극 조립체와 막-전극 조립체의 양면에 위치하는 분리판을 구비하여 형성된다.

상기 분리판은 집전체로서 전자를 모으고, 연료 및 산화제를 막-전극 조립체로 전달하고, 부산물을 배출하며, 각각의 막-전극 조립체를 분리하여 연료와 산화제가 직접적으로 만나는 것을 방지하는 기능을 한다. 이러한 분리판은 집전 기능을 위해 우수한 전기전도도를 가질 것이 요구되는바, 금속 또는 경질 탄소로 제조되는 것이 일반적이었다.

도 1은 통상적인 연료 전지 스택을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 1을 참조하면, 연료 전지 스택(100)은 막-전극 조립체(110)와 막-전극 조리립체(110)의 양면에 위치하는 분리판(130a, 130b)을 구비하는 하나 이상의 단위 전기 발생부와 이들 단위 전기 발생부의 최외곽에 위치하는 앤드 플레이트(170)를 포함하여 이루어진다.

단위 전기 발생부는 막-전극 조립체(110) 및 막-전극 조립체(110)의 양면에 위치하여 막-전극 조립체(110)로 연료 또는 산화제를 공급하고 각각의 막-전극 조립체(110)를 분리하는 분리판(130a, 130b)을 포함하여 이루어진다. 막-전극 조립체(110)는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 부분으로 전해질 막(111), 전해질 막의 양면에 위치하는 애노드 촉매층(113) 및 캐소드 촉매층(115), 그리고 애노드 촉매층(113) 및 캐소드 촉매층(115)에 접하며 형성되는 가스확산층(gas diffusion layer)(117a, 117b)을 포함하며 이루어진다.

이와 같이 연료 전지 스택은 몇 개의 층으로 이루어진 단위 전지 구조가 반복적으로 적층된 구조로서, 단위 전지 구조가 반복적으로 적층된 이유는, 단위 전지 하나에서 나오는 전압은 약 0.6∼1.0V 인데 반해 연료 전지를 이용하는 장치에서는 높은 전압이 필요하기 때문에 단위 전지를 적층시켜 전기적으로 직렬 연결하여 사용하게 된다.

한편, 연료 전지는 수소를 연료로 하는 전기화학적 반응을 이용하기 때문에 단위 전지 사이에 분리판(130a, 130b)을 설치하고 유로를 만들어 일정한 압력으로 수소와 공기를 넣어주게 된다. 이때 공기와 수소가 새는 것을 막기 위해 가스켓을 설치하는데 일정한 압력 이상이 주어져야 그 성능을 발휘하게 된다.

이에 따라 다수의 단위 전지를 적층하고 일정한 압력을 가하기 위한 다양한 연료 전체 체결 구조가 제안되고 있다. 대표적으로, 미국등록특허 제6190793호는 연료 전지 스택의 중심에 긴 막대기를 삽입하여 연료 전지 스택을 고정하는 구조를 개시하고 있다.

그러나 상기 미국등록특허 제6190793호의 체결 구조는 연료 전지 스택을 지지하는 힘의 부위가 양 끝단에 집중됨으로써, 끝단에 집중된 압력에 의해 연료 전지 단위의 손상이 우려되고, 어느 한 개의 연료 전지 단위의 손상에 의해 연료 전지 스택 전체가 손상될 위험이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 창안된 것으로, 응력 집중을 분산하여 연료 전지 스택의 손상을 방지하기 위한 연료 전지 스택의 체결 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 측면에 따른, 막-전극 조립체 및 분리판이 교차하여 적층되어 형성되는 연료 전지 스택의 체결 장치는, 상기 연료 전지 스택의 양단에 각각 장착되어 상기 연료 전지 스택을 지지하는 한 쌍의 엔드 플레이트; 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 하나에 양 끝단이 관통하여 조임체에 고정되는 U 자형의 제 1 연결체; 및 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 다른 하나에 양 끝단이 관통하여 조임체에 고정되는 U 자형의 제 2 연결체;를 포함하고, 상기 제 1 연결체 및 상기 제 2 연결체의 만곡부가 서로 교차하여 형성되는 공간에 상기 연료 전지 스택이 체결되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 제 1 연결체 및 상기 제 2 연결체는 상기 연료 전지 스택의 양 측면을 감싸며 상기 연료 전지 스택을 체결한다.

또는, 바람직하게, 상기 제 1 연결체 및 상기 제 2 연결체는 상기 연료 전지 스택을 관통하여 상기 연료 전지 스택을 체결한다.

바람직하게, 상기 제 1 연결체 및 상기 제 2 연결체의 만곡부는 역 U 자형으로 만곡된 탄성 부재이다.

한편, 바람직하게, 상기 제 1 연결체 및 상기 제 2 연결체의 양 끝단은 수 나사이고, 상기 조임체는 너트이다.

상기와 같은 본 발명은, 두 개의 U 자형 연결체의 만곡부가 교차하는 공간에 연료 전지 스택을 체결하고 상기 두 개의 U 자형 연결체를 엔드 플레이트에 고정함으로써, 체결 장치에 가해지는 응력 집중을 최소화한다

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 체결 장치의 구성을 나타낸 도면이다.

도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료 전지 스택의 체결 장치는, 연료 전지 스택을 감싸며 체결하는 두 개의 U 자형 연결체(213, 233)를 구비하고, 상기 두 개의 U 자형 연결체(213, 233) 각각은 연료 전지 스택의 최외곽에 위치하여 연료 전지 스택의 양측 단부를 지지하는 엔드 플레이트(210, 230)에 고정된다.

구체적으로, 제 1 U 자형 연결체(213)의 양 종단은 엔드 플레이트(210)를 관통하여 조임체(211a, 211b)에 결합된다. 제 2 U 자형 연결체(233)의 양 종단은 엔드 플레이트(230)를 관통하여 조임체(231a, 231b)에 결합된다. 바람직하게, U 자형 연결체(213)의 양 종단은 수 나사가 형성되고 그 수 나사에 조임체(231a, 231b)로서 체결 너트가 결합될 수 있다.

이와 같이 U 자형 연결체(213, 233)가 고정된 두 개의 엔드 플레이트(210, 230)는 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 서로 마주보며 배치되고 두 개의 U 자형 연결체(213, 233)가 교차하여 형성하는 공간(250)에 연료 전지 스택의 단위 전지들이 적층된다.

도 2의 (c)는 도 2의 (b)의 A-B 라인을 절단한 단면으로, 도시된 바와 같이, 두 개의 U 자형 연결체(213, 233)는 서로 겹치도록 배치되어 사각형의 공간(250)을 형성하고, 그 사각형의 공간(250)에 연료 전지 스택이 체결되어 고정된다. 이때, 연료 전지 스택에 가해지는 압력은 U 자형 연결체(213, 233)의 양 종단에 결합되는 조임체(211a, 211b, 231a, 231b)의 조임 정도에 의해 조절될 수 있다.

도 3은 도 2의 연료 전지 스택의 체결 장치를 연료 전지 스택에 적용한 예를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 도 3의 (a)는 본 발명에 따른 연료 전지 스택의 체결 장치의 분해 사시도로서, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 두 개의 U 자형 연결체(213, 233)는 서로 마주보며 연료 전지 스택(310)의 양 측면을 따라 접근하여 각 양 끝단이 엔드 플레이트(210, 230)를 관통하여 조임체(211a, 211b, 231a, 2311b)에 결합된다. 이와 같이 체결 장치가 체결된 연료 전지 스택(310)은 도 3의 (b)와 같다. 연료 전지 스택(310)에 가해지는 압력은 U 자형 연결체(213, 233)의 양 종단에 결합되는 조임체(211a, 211b, 231a, 231b)의 조임 정도에 의해 조절될 수 있다. 여기서 연료 전지 스택(310)은 다수의 단위 전극이 적층된 전극으로서, 막-전극 조립체 및 막-전극 조립체의 양면에 위치하여 막-전극 조립체로 연료 또는 산화제를 공급하고 각각의 막-전극 조립체를 분리하는 분리판을 포함하여 이루어진 것으로, 연료 전지에 적용되는 모든 연료 전지 스택이 본 발명에 사용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 전지 스택의 체결 장치의 구성을 나타낸 도면으로, 도 2와 동일한 참조부호를 갖는 구성요소는 동일한 기능을 수행하는 것으로 그 상세한 설명은 생략하고 차이점만 설명한다.

도 2와 달리 도 4를 참조한 본 실시예에서 연료 전지 스택의 체결 장치의 U 자형 연결체(213, 233)는, 만곡부(410, 430)가 역방향으로 V 자 또는 완만한 U 자 형태로 만곡되어 있다. 상기 만곡부(410, 430)는 탄성력을 갖는 와이어로서, U 자형 연결체(213, 233)가 형성하는 사각형 공간(250) 내에 연료 전지 스택이 체결되면 도 4의 (c)의 점선과 같이 상기 연료 전지 스택에 의해 탄성력을 갖는 만곡 부(410, 430)는 변위가 발생하고 그 변위에 의해 만곡부(410, 430)는 복원력이 발생하여 연료 전지 스택에 지속적인 압력을 가하여 압착한다. 바람직하게, 만곡부(410, 430)는 연료 전지 스택에 점 압력을 가하지 않도록 완만한 U자 형태인 것이 바람직하다.

도 5는 도 4의 연료 전지 스택의 체결 장치를 연료 전지 스택에 적용한 예를 나타낸 도면으로, 분해 사시도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 두 개의 U 자형 연결체(213, 233)의 만곡부(410, 430)는 역방향으로 완만한 U 자 형태로 만곡되어 있다. 이러한 두 개의 U 자형 연결체(213, 233)는 서로 마주보며 연료 전지 스택(310)의 양 측면을 따라 접근하여 각 양 끝단이 엔드 플레이트(210, 230)를 관통하여 조임체(211a, 211b, 231a, 2311b)에 결합된다. 이와 같이 연료 전지 스택이 체결되면 두 개의 U 자형 연결체(213, 233)의 만곡부(410, 430)에는 상기 연료 전지 스택에 의해 복원력이 축적되어 상기 연료 전지 스택에 복원력에 의한 일정한 압력이 가해진다. 따라서 분리판 사이의 압력에 따라 전류의 세기에 영향을 미치는 것을 최소화할 수 있다.

도 6은 도 2의 연료 전지 스택의 체결 장치를 연료 전지 스택에 적용한 다른 예를 나타낸 도면으로, 분해 사시도이다.

도 3을 참조한 실시예에서 체결 장치의 두 개의 U 자형 연결체(213, 233)는 연료 전지 스택(310)의 양 측면을 따라 접근하여 각 양 끝단이 엔드 플레이트(210, 230)를 관통하여 조임체(211a, 211b, 231a, 2311b)에 결합된다. 그러나, 도 6을 참조한 본 실시예에서 두 개의 U 자형 연결체(213, 233)는 연료 전지 스택(310)의 양 측면을 따라 연료 전지 스택(610)을 체결하는 것이 아니라, 연료 전지 스택(610)의 모서리 근방에 형성된 천공 홀(611a, 611b)을 관통하여 연료 전지 스택(310)을 체결한다. 도 6을 참조한 실시예에서는 도 2의 체결 장치를 적용한 것을 설명하였으나, 도 4의 체결 장치가 도 6과 마찬가지로 적용될 수 있음을 분명히 ㅎ한다.

이상과 같은 본 발명의 연료 전지 스택의 체결 장치는, 두 개의 U 자형 연결체(213, 233)가 서로 마주보고 교차하며 엔드 플레이트(210, 230)에 고정되어 연료 전지 스택을 체결함으로써, 연료 전지 스택에 가해지는 응력 집중을 최소화한다. 종래와 같이 연료 전지 스택의 중앙에 천공 홀을 두고 막대로 연료 전지 스택을 체결하게 되면, 지지하는 힘의 부위가 막대의 양 끝단에 집중됨으로써 응력이 집중되어 연료 전지 스택의 손상 위험이 있으나, 본 발명에서는 응력 집중을 최소화한다. 또한, 종래에는 여러 개의 봉을 사용하여 연료 전지 스택을 체결하였으나, 본 발명에서는 두 개의 U 자형 연결체를 사용함으로써 체결 효율을 높인다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

도 1은 통상적인 연료 전지 스택을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 체결 장치의 구성을 나타낸 도면이다.

도 3은 도 2의 연료 전지 스택의 체결 장치를 연료 전지 스택에 적용한 예를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 전지 스택의 체결 장치의 구성을 나타낸 도면이다.

도 5는 도 4의 연료 전지 스택의 체결 장치를 연료 전지 스택에 적용한 예를 나타낸 도면이다.

도 6은 도 2 또는 도 4의 연료 전지 스택의 체결 장치를 연료 전지 스택에 적용한 다른 예를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

210, 230 : 엔드 플레이트 213, 233 : U 자형 연결체

211, 231 : 체결 너트

Claims (5)

1. 막-전극 조립체 및 분리판이 교차하여 적층되어 형성되는 연료 전지 스택의 체결 장치로서,

   상기 연료 전지 스택의 양단에 각각 장착되어 상기 연료 전지 스택을 지지하는 한 쌍의 엔드 플레이트;

   상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 하나에 양 끝단이 관통하여 조임체에 고정되는 U 자형의 제 1 연결체; 및

   상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 다른 하나에 양 끝단이 관통하여 조임체에 고정되는 U 자형의 제 2 연결체;를 포함하고,

   상기 제 1 연결체 및 상기 제 2 연결체의 만곡부가 서로 교차하여 형성되는 공간에 상기 연료 전지 스택이 체결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 체결 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 연결체 및 상기 제 2 연결체가 상기 연료 전지 스택의 양 측면을 감싸며 상기 연료 전지 스택을 체결하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 체결 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 연결체 및 상기 제 2 연결체가 상기 연료 전지 스택을 관통하여 상기 연료 전지 스택을 체결하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 체결 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제 1 연결체 및 상기 제 2 연결체의 만곡부가 역 U 자형으로 만곡된 탄성 부재인 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 체결 장치.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제 1 연결체 및 상기 제 2 연결체의 양 끝단은 수 나사이고,

   상기 조임체는 너트인 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 체결 장치.

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