KR20100079044A

KR20100079044A - 연료전지 스택의 체결장치

Info

Publication number: KR20100079044A
Application number: KR1020080137452A
Authority: KR
Inventors: 황용신; 이주형; 차석원
Original assignee: 주식회사 엑스에프씨
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2010-07-08
Also published as: KR101017360B1

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 체결장치에 관한 것으로서, 복수개의 연료전지 셀이 적층된 연료전지 스택을 체결하는 연료전지 스택의 체결장치에 있어서, 상기 연료전지 스택의 양끝단을 각각 지지하는 한쌍의 엔드 플레이트; 상기 연료전지 스택의 외곽에서 상기 엔드 플레이트에 결합되는 체결봉; 및 상기 체결봉과 나란하게 상기 한쌍의 엔드 플레이트 사이에 삽입되며, 상기 연료전지 스택이 상기 한쌍의 엔드 플레이트에 의해 균일하게 가압되도록 안내하는 가이드 부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 스택의 체결장치{DEVICE FOR TIGHTENING FUEL CELL STACK}

본 발명은 연료전지 스택의 체결장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분리판으로 구분된 단위셀을 복수개 적층하여 형성된 연료전지 스택을 보다 간단하고 용이하게 체결하면서 동시에 분리판 내의 면압 분포를 균일하게 할 수 있는 연료전지 스택의 체결장치에 관한 것이다.

연료전지는 수소 또는 탄화수소 계열 연료와 산소로 대표되는 산화제의 전기화학 반응에 의해 전기 에너지를 얻는 에너지원으로서, 미래를 대비하는 가장 유망한 청정 에너지원 중의 하나로 최근 크게 주목받고 있다.

이러한 연료전지는 크게 전기를 생성하는 스택, 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부 및 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부로 이루어진다. 여기서, 스택은 막전극조립체(Membrane Electrode Assembly)와 분리판(Separator)이 순차적으로 적층된 구조를 이루며, 막전극접합체는 연료의 산화 및 환원제의 환원반응을 통해 전기를 생성한다.

분리판으로 구분된 단위셀이 순차적으로 적층되어 연료전지 스택을 형성하고, 각 단위셀의 출력전압이 합산되어 연료전지 스택의 출력전압이 정의된다.

연료전지 스택의 성능은 상술한 출력전압의 크기로 평가될 수 있으며, 상기 출력전압은 분리판과 분리판 사이의 압력에 의해 영향을 받는다.

연료전지 스택의 분리판은, 흑연, 금속 또는 복합재료로 형성되며, 가스켓을 이용하여 전기화학반응을 위한 연료가 새어나가지 않도록 하고 있다.

분리판 일측면에 형성된 가스 유로를 통과한 수소는 가스확산층을 통하여 막전극조립체로 공급되고, 분리판의 다른 일측면에서 공급되는 산소와 화학반응에 의해 전류가 발생한다.

연료전지 스택의 효율을 평가하는 데에는 분리판의 양 끝단에 형성된 전극을 통하여 출력되는 전류의 세기를 이용할 수 있으며, 이때 분리판과 분리판 사이의 면압은 이 전류의 세기에 영향을 미친다.

즉, 상기 면압이 과소한 경우에는 분리판과 분리판 사이의 접촉저항이 커져 전류가 흐르지 않을 수 있으며, 면압이 과도한 경우에는 가스확산층이 압축되어 가스확산이 효율적으로 일어나지 않을 수 있다.

따라서, 생성된 전류의 세기가 가장 우수한 소정의 면압이 존재하게 되며, 연료전지 스택 외부에 체결장치를 구비하여 상기 면압을 조절하게 된다.

종래의 연료전지 스택의 체결장치가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 종래 기술에 따른 연료전지 스택 체결장치는 연료전지 스택(1)의 양측 단부를 지지하는 두 개의 엔드 플레이트(2a, 2b)와 상기 두 개의 엔드 플레이트를 연결하는 복수의 체결봉(3) 및 이 체결봉(3)을 엔드 플레이트(2a, 2b)에 고정하는 체결너트(4)를 포함하고 있다.

체결봉(3)의 양단에는 수나사(5)가 형성되며 체결너트(4)는 수나사(5)가 형성된 체결봉(3)의 양단에 결합된다. 따라서, 두 개의 엔드 플레이트(2a, 2b) 사이에 개재된 연료전지 스택(1)의 분리판 사이의 면압은 체결너트(4)의 조임 정도에 의해 조절될 수 있다.

그러나, 이러한 종래의 체결장치에 의하면, 체결봉(3)이 위치한 엔드 플레이트에 불필요한 굽힘 하중이 발생되고, 엔드 플레이트의 가운데 부분이 잘 눌리지 않아서 면압이 균일하게 유지될 수 없는 문제점이 있었다. 또한, 엔드 플레이트의 모서리 부분에 응력 집중이 발생하여 분리판의 손상이 일어나기 쉬우며, 너트를 통해 분리판을 눌러주며 체결하기 때문에 스택이 한쪽으로 쏠리는 현상이 발생하여 조립이 어려운 문제점이 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 조립이 간단하고 용이하면서도 분리판 내의 면압 분포를 일정하게 유지할 수 있는 연료전지 스택의 체결장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 연료전지 스택의 체결장치는,

복수개의 연료전지 셀이 적층된 연료전지 스택을 체결하는 연료전지 스택의 체결장치에 있어서, 상기 연료전지 스택의 양끝단을 각각 지지하는 한쌍의 엔드 플레이트; 상기 연료전지 스택의 외곽에서 상기 엔드 플레이트에 결합되는 체결봉; 및 상기 체결봉과 나란하게 위치하며, 상기 연료전지 스택이 상기 한쌍의 엔드 플레이트에 의해 균일하게 가압되도록 안내하는 가이드 부재;를 포함한다.

여기서, 상기 체결봉은, 일단에 형성된 플랜지와 타단에 결합되는 체결핀에 의해 상기 한쌍의 엔드 플레이트를 체결하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 체결핀은 상기 체결봉의 상기 타단에 형성된 체결공에 결합되는 분할 체결핀인 것이 바람직하다.

또한, 상기 체결봉의 상기 타단에 형성된 체결공은 상기 체결봉의 길이방향을 따라 복수개 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 체결핀은 상기 체결봉의 상기 타단에 형성된 체결홈에 결합되는 링 체결핀인 것이 바람직하다.

또한, 상기 체결봉의 상기 타단에 형성된 체결홈은 상기 체결봉의 길이방향을 따라 복수개 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 가이드 부재의 양단에는 상기 한쌍의 엔드 플레이트에 형성된 가이드슬롯에 결합되는 가이드받침부가 구비될 수 있다.

또한, 상기 가이드받침부의 폭은 상기 가이드부재의 폭보다 작은 것이 바람직하다.

또한, 상기 가이드 부재의 일단에 형성된 가이드받침부는 상기 가이드슬롯의 크기보다 큰 가이드플랜지로 이루어지고, 타단에 형성된 가이드받침부는 상기 가이드부재의 폭보다 작은 것이 바람직하다.

또한, 상기 가이드받침부의 어느 일단 또는 양단에는 상기 가이드슬롯에 삽입고정되는 고정돌출부가 형성될 수 있다.

또한, 상기 가이드받침부는 상기 가이드 부재의 양단에서 절곡형성되고, 상기 가이드슬롯는 상기 한쌍의 엔드 플레이트의 둘레면에 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 절곡형성된 가이드받침부의 어느 일단 또는 양단에는 고정돌출부가 형성되어 있고, 상기 가이드슬롯에는 상기 고정돌출부를 수용하는 고정홈부가 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 연료전지 스택의 체결장치는 가이드 부재에 의해 한쪽이 과다하게 눌리거나 과소하게 눌리는 경우가 없이 분리판 내의 면압 분포를 일정하게 유지할 수 있으며, 체결핀을 이용하여 연료전지 스택을 간단하고 용이하게 체결할 수 있으므로 조립을 간소화 할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 체결장치(100)를 도시한 도면이다. 이 체결장치(100)는 복수개의 연료전지 셀이 적층된 연료전지 스택(11)을 체결하는 것으로서, 한쌍의 엔드 플레이트(12a, 12b)와 복수개의 체결봉(30) 및 복수개의 가이드 부재(20)를 포함하여 구성된다. 여기서, 체결봉(30) 및 가이드 부재(30)는 편의상 4개가 도시되었지만, 그 개수는 특별히 한정되지 않는다. 아울러, 가이드 부재(30)의 위치 역시 도 2에 도시된 바와 같이 체결봉(30) 사이에 위치하거나, 체결봉의 주변 또는 그 외곽에 위치해도 된다.

구체적으로 본 발명에 따른 체결장치(100)를 살펴보면, 한쌍의 엔드 플레이트(12a, 12b)는 연료전지 스택의 양 끝단을 각각 지지하도록 연료전지 스택(11)의 단면적 보다 넓은 크기의 사각형 판으로 형성되고, 연료전지 스택(11)의 외곽에 대응되는 엔드 플레이트 상에는 체결봉(30)이 관통되는 관통공(17, 도 3에 도시됨)이 형성되어 있다.

체결봉(30)은 한쌍의 엔드 플레이트(12a, 12b)를 통해 연료전지 스택(11)을 체결하기 위한 수단으로서, 기다란 바(bar)의 형상을 가지고 있으며, 그 일단에는 엔드 플레이트에 접촉 고정되는 플랜지(31)가 형성되어 있다.

가이드 부재(20)는 체결봉(30)과 나란하게 위치하며, 한쌍의 엔드 플레이트(12a, 12b)에 형성된 가이드슬롯(15)에 결합되어 연료전지 스택(11)이 한쌍의 엔드 플레이트(12a, 12b)에 의해 균일하게 가압되도록 안내하는 역할을 한다. 즉, 도 1에 도시된 종래의 체결장치에서는 체결봉에 의한 체결하중이 엔드 플레이트에만 집중되기 때문에, 체결봉이 위치하는 엔드 플레이트의 모서리 부분에서 엔드 플레이트에 굽힘 하중이 발생하는 문제점이 있었다. 따라서, 종래의 체결장치에서는 연료전지 스택의 가운데 부분이 잘 눌려지지 않아 연료전지 스택 및 엔드 플레이트의 면압이 균일하지 않았다. 하지만, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 체결봉(30) 사이에 또는 주변에 별도의 가이드 부재(20)가 위치하므로, 체결봉(30)에 의한 체결하중이 한쌍의 엔드 플레이트(12a, 12b) 및 가이드 부재(20)에 분산되어, 엔드 플레이트에 발생되는 굽힘 하중이 감소될 수 있다. 따라서, 연료전지 스택 및 엔드 플레이트에 가해지는 면압의 분포를 보다 균일하게 유지할 수 있어서 연료전지의 반응성을 향상시킬 수 있다. 이외에도, 한쌍의 엔드 플레이트(12a, 12b) 사이에 가이드 부재(20)를 개재시켜 연료전지 스택의 중앙부를 가이드 부재가 받치는 부분까지 미리 누른 후 체결봉을 통해 최종적으로 연료전지 스택을 체결할 수 있기 때문에, 체결 시 연료전지 스택이 한쪽으로 쏠리는 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 연료전지 스택의 체결을 보다 손쉽게 할 수 있다.

도 3(a) 및 3(b)는 본 발명에 따른 체결봉(30) 및 이 체결봉(30)과 엔드 플레이트를 결합시키는 체결핀(16)의 구체적 구성을 도시한 도면이다.

체결봉(30)은 엔드 플레이트(12a, 12b)에 형성된 관통공(17)을 관통하여 결합되며, 그 타단에는 체결핀(16)이 결합되어 엔드 플레이트에 대해 고정될 수 있다.

도 3(a)에는 체결핀(16)의 바람직한 실시예로서 분할 체결핀(split pin)(16x)이 도시되어 있다. 분할 체결핀(16x)은 체결봉(30)의 타단에 형성된 체결공(32)에 화살표 방향으로 삽입되어 분할 체결핀(16x)의 양 레그부를 서로 멀어지는 방향으로 밀어냄으로써 체결봉(30)을 엔드 플레이트에 대해 손쉽게 고정시킬 수 있다. 이 분할 체결핀(16x)은 연료전지 스택(11)에 가해지는 면압을 유지할 수 있게 충분한 강도를 가지도록 설계된다. 한편, 체결봉(30)에는 그 길이방향으로 복수개의 체결공(32)이 형성되어 있어서, 연료전지 스택(11)에 가해지는 면압의 크기를 조절할 수 있다.

도 3(b)에는 체결핀(16)의 다른 바람직한 실시예로서 링 체결핀(16y)이 도시되어 있다. 이 링 체결핀(16y)은 체결봉(30)의 타단에 형성된 체결홈(33)에 화살표 방향으로 끼워져서 체결봉(30)을 엔드 플레이트에 고정시킨다. 이 링 체결핀(16y) 역시 연료전지 스택(11)에 가해지는 면압을 유지하게끔 충분한 강도를 가지도록 설계된다. 아울러, 링 체결핀(16y)으로 고정되는 체결봉(30)에는 그 길이방향으로 복수개의 체결홈(33)이 형성되어 있어서, 연료전지 스택(11)에 가해지는 면압의 크기를 조절할 수 있다.

도 4 및 도 5에는 본 발명의 따른 가이드 부재(20)를 도시한 도면이다. 이 가이드 부재(20)는 체결봉(30)과 평행하게 한쌍의 엔드 플레이트(12a, 12b) 사이에 끼워진다.

도 4(a)에 도시된 바와 같이, 가이드 부재(20)는 기다란 판형상 또는 봉형상의 부재가 될 수 있으며, 그 형상은 특별히 한정되지 않는다.

가이드 부재(20)의 양단에는 한쌍의 엔드 플레이트(12a, 12b)에 형성되어 있는 가이드슬롯(15)에 결합되는 가이드받침부(21)가 구비되어 있다. 이 가이드받침부(21)의 폭은 가이드 부재(20)의 폭보다 더 작아서, 가이드받침부(21)와 가이드 부재(20) 사이에는 단차가 형성되어 있다. 따라서, 이 단차를 통해 가이드 부재(20)는 연료전지 스택이 압축되는 방향으로 한쌍의 엔드 플레이트를 지지할 수 있다. 즉, 이러한 가이드 부재(20)는 체결봉에 의해 가해지는 체결하중을 엔드 플레이트와 함께 나누어 받게 되므로, 엔드 플레이트의 굽힘하중을 최소화 할 수 있다.

도 4(b)에는 본 발명에 따른 가이드 부재(20)의 다른 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 가이드 부재(20)의 일단에는 도 4(a)에 도시된 바와 같은 가이드받침대(21)가 구비되어 있고, 타단에는 가이드슬롯(15)의 크기보다 큰 가이드플랜지(22)가 구비되어 있다. 이 경우에도, 가이드 부재(20)의 양단에는 단차가 제공되므로, 이를 통해 체결봉에 의해 엔드 플레이트에 가해지는 체결하중을 분산시킬 수 있다.

도 4(c)에는 본 발명에 따른 가이드 부재(20)의 또 다른 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 가이드 부재(20)의 양단에 제공되는 가이드받침부(21)의 말단에는 화살표 모양의 고정돌출부(23)가 형성되어 있다. 이 고정돌출부(23)는 가이드받침부(21)의 일단 또는 양단에 형성될 수 있다. 이 고정돌출부(23)는 가이드 부재(20)가 삽입되는 가이드슬롯(15)과의 결속력을 더욱 강화시켜, 연료전지 스택의 체결을 더욱 용이하게 하는 효과가 있다. 고정돌출부(23)는 그 형태의 특성상 삽입방향으로 쉽게 결합이 가능하고 분리가 쉽지 않다는 장점이 있다.

도 5는 본 발명에 따른 가이드 부재(20)의 또 다른 바람직한 실시예를 도시한 도면이다.

도 5(a)에 도시된 가이드 부재(20)는 그 양단에서 대략 직각으로 절곡형성된 가이드받침부(21')를 가지고 있다. 그리고, 이 가이드받침부(21')와 결합되는 가이드슬롯(15)은 한쌍의 엔드 플레이트(12a, 12b)의 둘레면(13)에 형성되어 있다.

도 5(b)에 도시된 가이드 부재(20)는 절곡형성된 가이드받침부(21')의 말단에 고정돌출부(23')를 더 포함하고 있다. 이 고정돌출부(23')는 가이드 받침부(21')의 일단 또는 양단에 형성될 수 있으며, 도 4(c)에 도시된 고정돌출부와 실질적으로 동일한 형태를 가지고 있다. 한쌍의 엔드 플레이트(12a, 12b)의 둘레면(13)에 형성된 가이드슬롯(15)에는 이 고정돌출부(23')를 수용하는 고정홈부(18)가 형성되어 있다. 이 고정홈부(18)에 안착 고정가능한 고정돌출부(23')는 엔드 플레이트와 결합된 이후 쉽게 엔드 플레이트로부터 분리되지 않으므로 연료전지 스택을 예비적으로 체결하는데 적합하다.

상술한 바와 같은 가이드 부재(20)는 엔드 플레이트에 가해지는 체결하중을 분산시켜 연료전지 스택의 면압을 균일하게 분포시킬 뿐만 아니라, 연료전지 스택의 중앙부를 가이드 부재가 받치는 부분까지 미리 누른 후 체결봉에 의해 체결할 수 있으므로 체결을 더욱 간소화할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 종래의 연료전지 스택의 체결장치를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 체결장치를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 체결봉 및 체결핀의 구성을 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 가이드 부재의 바람직한 실시예를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 가이드 부재의 다른 바람직한 실시예를 나타낸 도면이다.

Claims

복수개의 연료전지 셀이 적층된 연료전지 스택을 체결하는 연료전지 스택의 체결장치에 있어서,

상기 연료전지 스택의 양끝단을 각각 지지하는 한쌍의 엔드 플레이트;

상기 연료전지 스택의 외곽에서 상기 엔드 플레이트에 결합되는 체결봉; 및

상기 체결봉과 나란하게 상기 한쌍의 엔드 플레이트 사이에 삽입되며, 상기 연료전지 스택이 상기 한쌍의 엔드 플레이트에 의해 균일하게 가압되도록 안내하는 가이드 부재;를 포함하는 연료전지 스택의 체결장치.
제1항에 있어서,

상기 체결봉은, 일단에 형성된 플랜지와 타단에 결합되는 체결핀에 의해 상기 한쌍의 엔드 플레이트를 체결하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결장치.
제2항에 있어서,

상기 체결핀은 상기 체결봉의 상기 타단에 형성된 체결공에 결합되는 분할 체결핀인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결장치.
제3항에 있어서,

상기 체결봉의 상기 타단에 형성된 체결공은 상기 체결봉의 길이방향을 따라 복수개 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결장치.
제2항에 있어서,

상기 체결핀은 상기 체결봉의 상기 타단에 형성된 체결홈에 결합되는 링 체결핀인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결장치.
제5항에 있어서,

상기 체결봉의 상기 타단에 형성된 체결홈은 상기 체결봉의 길이방향을 따라 복수개 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결장치.
제1항에 있어서,

상기 가이드 부재의 양단에는 상기 한쌍의 엔드 플레이트에 형성된 가이드슬롯에 결합되는 가이드받침부가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결장치.
제7항에 있어서,

상기 가이드받침부의 폭은 상기 가이드부재의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결장치.
제7항에 있어서,

상기 가이드 부재의 일단에 형성된 가이드받침부는 상기 가이드슬롯의 크기보다 큰 가이드플랜지로 이루어지고, 타단에 형성된 가이드받침부는 상기 가이드부재의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결장치.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 가이드받침부의 어느 일단 또는 양단에는 상기 가이드슬롯에 삽입고정되는 고정돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결장치.
제7항에 있어서,

상기 가이드받침부는 상기 가이드 부재의 양단에서 절곡형성되고,

상기 가이드슬롯는 상기 한쌍의 엔드 플레이트의 둘레면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결장치.
제11항에 있어서,

상기 절곡형성된 가이드받침부의 어느 일단 또는 양단에는 고정돌출부가 형성되어 있고,

상기 가이드슬롯에는 상기 고정돌출부를 수용하는 고정홈부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결장치.