KR20110135286A - 스택의 면압인가 장치 - Google Patents

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최영재
박치록
김도형
전중환
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주식회사 포스코
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Abstract

연료전지용 스택의 가로방향 면압인가 장치가 개시된다. 본 발명에 의한 연료전지용 스택의 가로방향 면압인가 장치는 복수의 단위셀이 적층된 연료전지 스택에 가로방향의 면압을 인가하기 위한 면압 인가부, 및 상기 연료전지 스택에 인가된 면압을 나타내는 표시부를 포함한다. 본 발명을 적용함으로써 연료전지용 스택의 자중의 영향을 제거하고 균일한 면압을 인가함으로써 연료전지 스택의 균일한 밀봉과 출력의 안정성을 도모할 수 있다.

Description

스택의 면압인가 장치 {FASTENING APPARATUS FOR STACK}
본 발명은 연료전지용 스택의 면압인가 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스택의 가로방향 면압인가 장치에 관한 것이다.
연료전지는 1839년 영국의 W. Grove가 원리를 발명한 이후 아폴로 11호 우주선 등에 탑재되어 전기에너지와 물을 생산하였고, 현재는 자동차, 잠수함, 휴대용 전원 등 적용영역이 확대되는 추세에 있다.
연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응생성물이 연속적으로 계의 바깥으로 제거된다는 특징을 갖는다.
전형적인 고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)의 경우, 애노드(anode)에서 수소가 proton과 전자로 분해되고 전자는 외부회로를 따라 cathode로 이동하고 cathode에 공급되는 산소가 외부회로를 경유해 온 전자와 만나 산소이온을 만들고 전해질을 통해 산소이온이 anode로 이동하여 proton과 만나서 물이 생성된다.
이러한 고체산화물 연료전지는 개회로 전압(open circuit voltage)이1.0~1.2V이며 일반적인 부하인가 표준인 400mA/cm2에서 연료전지 단위셀의 방전전압은 약 0.8V로 낮기 때문에, 실제 발전에서는 단위셀을 복수로 적층하여 전압을 높이고, 셀 면적을 증가시켜 고출력화를 이루게 된다.
단위셀을 복수개 적층한 것을 스택(stack)이라 하는데, 연료전지의 단위셀을 적층한 후, 단위셀의 밀봉과 집전을 위해 면압을 인가하게 된다.
대부분의 스택은 세로로 적층되어 상부에서 공압 또는 유압 실린더를 이용하여 면압을 인가하게 된다.
상기와 같이 단위셀을 세로로 적층한 후 면압을 인가하는 시스템에서는 필연적으로 자중의 영향이 포함되게 되고, 스택의 적층수가 높아질수록 스택의 상/하부 면압에 차이를 유발하게 된다.
특히, 발전용 연료전지 스택은 목표 출력 및 전압을 구현하기 위해 최소 60장 이상의 단위셀을 직렬로 연결해야 하므로 스택의 맨 아래의 단위셀과 제일 상부의 단위셀에 인가되는 자중의 차이가 필연적으로 존재하게 된다.
이와 함께, 스택을 구성하는 분리판, 온도 분리판, 엔드 플레이트는 스테인레스강(stainless steel) 소재로 구성되어 있어, 단위셀의 적층 수가 증가할수록 그 무게는 비례하여 증가하고 이에 따른 자중의 변화는 고적층 스택으로 갈수록 심해지게 된다.
또한, 스택을 구성하는 단위셀 한 장 내에서도 면압의 불균일이 존재하게 된다. 이러한 면압의 불균일은 스택 안정성에 직접적으로 연관되는 밀봉에 문제를 유발할 수 있으며 스택 출력과 연관된 집전의 불균일도 유발할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같이 연료전지 스택에 면압인가시 자중의 영향을 배제하고, 균일한 면압을 인가할 수 있는 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치는 복수의 단위셀이 적층된 연료전지 스택에 가로방향의 면압을 인가하기 위한 면압 인가부, 및 상기 연료전지 스택에 인가된 면압을 나타내는 표시부를 포함한다.
상기 면압 인가부는 연료전지 스택을 지지하기 위한 스택 지지대, 상기 스택 지지대 위에 놓이는 상기 연료전지 스택의 어느 일 면에 밀착되어 면압을 인가하기 위한 면압 인가판, 상기 면압 인가판에 연결되어 면압을 전달하기 위한 적어도 하나의 면압 전달봉, 상기 연료전지 스택의 다른 면에 밀착되어 면압을 지지하기 위한 면압 지지판, 상기 면압 지지판에 연결되는 면압 지지봉, 및 상기 면압 전달봉에 결합되어 면압을 발생시키는 적어도 하나의 완충수단을 포함한다.
또한, 상기 면압 인가부는 상기 적어도 하나의 면압 전달봉과 상기 면압 지지봉을 지지하기 위한 브라켓을 더 포함한다.
상기 면압 전달봉은 커플링(coupling)으로 연결되어 탈부착이 용이한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 면압 전달봉은 로드셀과 변위 탐침 고정자가 결합된 것을 특징으로 한다.
상기 완충수단은 4축의 면압을 인가하도록 4개로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치는 상기 연료전지 스택 및 상기 면압 인가부의 일부가 장입되며 상기 연료전지 스택의 고온 운전특성을 평가하기 위한 로를 더 포함한다.
상기 연료전지 스택의 양면에 엔드 플레이트가 배치되며, 적어도 하나의 상기 엔드 플레이트 일면과 상기 면압 인가판 사이에 판 스프링이 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 면압 인가판의 일면은 크로스 심(cross shim) 형상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 연료전지 스택의 가로방향면압인가 방법은 복수의 단위셀이 적층된 연료전지 스택을 제공하는 단계, 상기 연료전지 스택에 면압 인가부를 통해 가로방향의 면압을 인가하는 단계, 및 면압이 인가된 상기 연료전지 스택으로부터 면압측정을 수행하는 단계를 포함한다.
상기 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 방법은 상기 연료전지 스택 및 상기 면압 인가부의 일부를 로에 장입하는 단계를 더 포함한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
연료전지 스택에 균일한 면압의 인가할 수 있으며 실시간으로 면압을 제어할 수 있다.
연료전지 스택의 움직임을 변위 탐침을 통해 확인이 가능하여 최적화된 스택 거동을 판단할 수 있다.
또한, 스택의 부하 운전시 저항에 의한 발열반응을 수반하게 되나 가로방향으로 스택을 적층함으로써 스택의 상하부 온도 편차를 해소하여 스택의 운전 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 스택의 탈 부착이 용이하며 판 스프링을 적용하여 면압 인가후 스택의 탈착을 통해 다량의 스택 모듈을 제조할 수 있으며 세로방향으로도 구현이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치의 개략도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치를 구성하는 면압 인가부의 주요 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 연료전지 스택, 스택의 양단에 배치된 엔드 플레이드, 엔드 플레이트 일면에 배치된 판 스프링 및 면압 인가판이 결합된 연료전지 모듈의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 면압 인가판의 일면에 형성된 크로스 심(cross shim) 구조(형상)를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명에 의해 구현한 스택의 가로방향 면압인가 장치를 나타낸 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 의한 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치는 복수의 단위셀이 적층된 연료전지 스택에 가로방향의 면압을 인가하기 위한 면압 인가부(200), 및 상기 연료전지 스택에 인가된 면압을 나타내는 표시부(300)를 포함한다.
연료전지 스택을 구성하는 단위셀은 전기화학 반응이 발생하는 연료전지의 단위체로서 전해질, 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드의 각각의 외측에 배치되며 연료 또는 공기를 공급하기 위한 채널을 갖는 분리판을 포함할 수 있다.
또한, 상기 스택은 복수로 적층된 단위셀과 적층된 복수의 단위셀의양단에 전류를 모으기 위한 집전판과 복수의 단위셀을 지지하기 위한 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치를 구성하는 면압 인가부(200)의 주요부를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된, 면압 인가부(200)는 상기 연료전지 스택에 면압을 인가하기 위한 것으로 본 발명에서는 가로방향으로 적층된 연료전지 스택에 균일한 면압을 인가하게 된다.
상기 면압 인가부(200)는 연료전지 스택(260)을 지지하기 위한 스택 지지대(270), 상기 스택 지지대(270) 위에 놓이는 상기 연료전지 스택(260)의 어느 일 면에 밀착되어 면압을 인가하기 위한 면압 인가판(280), 상기 면압 인가판(280)에 연결되어 면압을 전달하기 위한 적어도 하나의 면압 전달봉(250), 상기 연료전지 스택(260)의 다른 면에 밀착되어 면압을 지지하기 위한 면압 지지판(285), 상기 면압 지지판(285)에 연결되는 면압 지지봉(290), 및 상기 면압 전달봉(250)에 결합되어 면압을 발생시키는 적어도 하나의 완충수단(210)을 포함한다.
상기 스택 지지대(270)는 상기 연료전지 스택(260)을 지지하기 위한 것으로 상기 스택 지지대(270)에는 복수의 단위셀이 적층된 연료전지 스택(260)이 가로방향으로 배치된다.
상기 면압 인가판(280)은 상기 가로방향으로 적층된 연료전지 스택(260)의 어느 일 면에 밀착되어 상기의 면압 전달봉(250)과 연결되어 상기 면압 전달봉(250)에 의해 전달된 힘으로 상기 스택(260)에 일정한 면압을 인가하게 된다.
상기 면압 인가판(280)은 상기 스택(260)과 밀착된 면에서 균일한 면압인가를 위해 표면 조도를 양호하게 유지하는 것이 바람직하다.
상기 면압 전달봉(250)은 일단이 상기 면압 인가판(280)과 볼트등의 체결수단에 의해 연결되며 상기 완충수단(210)에 의해 발생된 힘을 상기 면압 인가판(280)에 전달하게 된다.
상기 면압 전달봉(250)은 셀과 엔드 플레이트의 크기에 따라 복수개로 구성될 수 있으며 본 발명에서는 상기 스택(260)의 전체 면에 고른 면압인가를 위해 상기 면압 전달봉(250)은 4개로 구성될 수 있다.
상기 면압 지지판(285)은 상기 연료전지 스택(260)의 다른 면과 밀착되어 상기 면압 인가판(280)에 의해 상기 스택(260)의 어느 일면에 면압이 인가될 때 반대편에서 면압을 지지하면서 상기 스택(260)에 면압이 일정하게 유지되도록 한다.
상기 면압 지지봉(290)은 상기 면압 지지판(285)과 연결되며 발생된 면압을 지지하게 된다.
상기 완충수단(210)은 스프링으로 구성될 수 있으며, 상기 면압 전달봉(250)의 타단의 인접부에 결합되며, 자동제어 시스템(미도시)등과 연결되어 일정한 외력이 완충수단(210)에 가해질 수 있다.
상기 완충수단(210)에 가해진 외력은 상기 면압 전달봉(250) 및 상기 면압 인가판(280)에 의해 상기 스택(260)에 면압을 인가하게 된다.
또한, 상기 완충수단(210)은 4개로 구성됨으로써 상기 스택(260)의 가장자리에 4축의 면압이 균일하게 인가되도록 할 수 있다.
상기 면압 인가부(200)는 상기 적어도 하나의 면압 전달봉(250)과 상기 면압 지지봉(290)을 지지하기 위한 브라켓(240)을 더 포함한다.
상기 브라켓(240)에 의해 상기 복수의 면압 전달봉(250)과 면압 지지봉(290)이 지지됨으로서 상기 스택(260)에 인가되는 면압을 보다 균일하게 유지할 수 있다.
상기 면압 전달봉(250)은 커플링(255)(coupling)으로 연결됨으로써 탈부착이 용이하도록 구성될 수 있으며 상기 커플링(255)으로는 U자 형태의 강재 부싱(bushing)이 사용될 수 있다.
U자 형상의 부싱을 커플링(255)으로 사용함에 의해 연료전지 스택(260)의 고온 운전시에 고온 산화 환경에서도 계속적인 면압인가가 가능할 수 있다.
상기 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치는 상기 연료전지 스택(260) 및 상기 면압 인가부(200)의 일부가 장입되며 상기 연료전지 스택(260)의 고온 운전특성을 평가하기 위한 로(100)를 더 포함할 수 있다.
상기 로(100)는 연료 전지의 밀봉의 위해 유리 밀봉재를 사용할 경우에 필요하며 마이카와 같은 컴프레시브 밀봉재를 사용하는 경우에는 생략할 수 있다.
본 발명에 의한 면압인가 장치에서 연료전지 스택의 면압은 0.5kgf/cm2~3kgf/cm2의 범위에서 조절이 가능할 수 있다.
상기 면압의 범위는 면압인가 장치 구성에 따라 달라질 수 있으며, 일반적인 범위는 0.1kgf/cm2~5kgf/cm2 일 수 있다.
상기 복수의 면압 전달봉(250) 및 면압 지지봉(290)에는 각각 로드셀(230)이 장착된다.
상기 로드셀(230)은 상기 면압 전달봉(250) 및 상기 면압 지지봉(290) 각각에 설치되어 상기 스택(260)에 가해지는 하중의 변화량을 측정한다.
이와 같이 상기 면압 전달봉(250) 및 상기 면압 지지봉(290)에 로드 셀을 장착함으로써 스택(260)의 운전중에 상기 면압 전달봉(250) 및 상기 면압 지지봉(290)에 걸리는 하중을 나타내어 스택(260)의 변화 및 면압의 변화를 실시간으로 계측할 수 있게 된다.
또한, 상기 면압 전달봉(250)에는 스택(260)의 운전시 변위등의 거동을 확인할 수 있는 변위 탐침 고정자(220)가 장착되며 이에 의해, 상기 변위 탐침 고정자(220)를 통하여 스택(260) 운전시의 변위 거동을 실시간으로 확인할 수 있다.
도 1에 도시된, 상기 표시부(300)는 상기 면압 인가부(200)에 의해 상기 스택(260)에 인가되는 면압 또는 상기 면압 전달봉(250)에 장착된 변위 탐침 고정자(220)로부터 측정되는 변위 등을 실시간으로 나타내는 부분이다.
이와 같이, 상기 스택(260)에 인가되는 면압을 실시간으로 측정하여 표시함으로써 스택(260)에 적정한 면압을 인가할 수 있게 된다.
도 3은 판 스프링(265), 제1, 제2 엔드 플레이트(267, 268)가 배치된 연료전지 스택(260) 및 면압 인가판(280)이 볼트등의 체결수단에 의해 결합된 연료전지 모듈의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 연료전지 스택(260)의 양면에 제1,제2 엔드 플레이트(267, 268)가 배치되며 제1 엔드 플레이트(267)의 일면에는 판 스프링(265)이 배치된다.
상기 판 스프링(265)을 도입함으로써 스택(260)의 내부에 균일한 면압을 인가할 수 있다.
본 발명의 면압인가 장치의 경우, 도면에는 스프링 반대편에 너트를 수동으로 체결하는 것으로 표현되어 있으나, 유압장치 등을 이용하여 연결하는 경우에는 자동화 및 더 큰 면압의 인가도 가능하다.
상기 판 스프링(265)의 재질은 연료전지가 작동되는 고온에서도 내산화성 및 내식성을 구비하여야 하므로 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)을 주요 성분으로 한 고온용 소재가 사용될 수 있으며 바람직하게는 인코넬(Inconel) 계열의 합금이 사용될 수 있다.
상기 판 스프링(265)을 도입함으로써, 면압인가 시스템에서 가로적층 연료전지 스택에 일정한 면압을 인가후, 면압을 제거한 후에도 연료전지 스택내에 균일한 면압이 인가되도록 한다.
또한, 연료전지 모듈이 고온에서 작동되는 경우, 연료전지 스택을 체결시키는 볼트, 제1, 제2 엔드 플레이트(267, 268) 및 면압 인가판(280) 등이 고온에서 열팽창을 하는 경우, 스프링의 탄성력에 의해 가로적층 스택이 이탈하는 것을 방지하는 역할을 한다.
판 스프링(265)의 두께는 3mm~5mm의 범위에 해당될 수 있다.
상기 제1, 제2 엔드 플레이트(267, 268)는 내산화성을 갖는 400계열의 스레인레스강(stainless steel)이 사용될 수 있으며 보다 상세하게는 430계열, 444계열의 스테인레스강이 사용될 수 있다.
상기 제1 엔드 플레이트(267)와 상기 복수의 단위 셀로 구성된 스택(260)간에는 운모판 등으로 이루어진 절연체가 개재될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 면압 인가판(280)의 일면은 크로스 심(cross shim) 구조(형상)일 수 있다.
상기 면압 인가판(280)의 일면에 크로스 심 구조를 도입함으로써 판 스프링(265)과 함께 상기 연료전지 스택에 인가되는 면압을 보다 균일하게 유지할 수 있다.
보다 상세하게, 상기 크로스 심은 상온에서 스택에 면압을 인가시 서로 밀착되는 면들이 가공면의 공차등에 의해 균일한 면압이 형성되지 않는 것을 방지함과 동시에 고온에서 운전시 연료전지 스택을 구성하는 부품들이 고온 열팽창에 의해 균일한 면압이 인가되지 않는 것을 방지하기 위해 도입된다.
즉, 본 발명에 의한 크로스 심은 도 4에 도시된 바와 같이 면압 인가판(280)의 일면에 홈들이 형성된 X자 형태의 요철부 형상을 나타냄으로써 스택내에서 5지점(5 point) 밀착을 형성함으로써 상기와 같은 효과를 나타낼 수 있다.
상기 크로스 심의 두께는 20mm~30mm의 범위에 해당될 수 있다.
도 5는 본 발명에 의해 구현한 연료전지 스택의 면압인가 장치를 나타낸 사진이다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 방법은 복수의 단위셀이 적층된 연료전지 스택을 제공하는 단계, 상기 연료전지 스택에 면압 인가부를 통해 가로방향의 면압을 인가하는 단계, 및 면압이 인가된 상기 연료전지 스택으로부터 면압측정을 수행하는 단계를 포함한다.
연료전지 스택을 구성하는 단위셀은 전기화학 반응이 발생하는 연료전지의 단위체로서 전해질, 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드의 각각의 외측에 배치되며 연료 또는 공기를 공급하기 위한 채널을 갖는 분리판을 포함할 수 있다.
또한, 상기 스택은 복수로 적층된 단위셀과 적층된 복수의 단위셀의양단에 전류를 모으기 위한 집전판과 복수의 단위셀을 지지하기 위한 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 연료전지 스택에 면압 인가부를 통해 가로방향 면압을 인가하는 단계는 상기 제공된 연료전지 스택(260)에 일정한 값의 면압을 인가하기 위한 단계이다.
상기 면압 인가부(200)는 연료전지 스택(260)을 지지하기 위한 스택 지지대(270), 상기 스택 지지대(270) 위에 놓이는 상기 연료전지 스택(260)의 어느 일 면에 밀착되어 면압을 인가하기 위한 면압 인가판(280), 상기 면압 인가판(280)에 연결되어 면압을 전달하기 위한 적어도 하나의 면압 전달봉(250), 상기 연료전지 스택(260)의 다른 면에 밀착되어 면압을 지지하기 위한 면압 지지판(285), 상기 면압 지지판(285)에 연결되는 면압 지지봉(290), 및 상기 면압 전달봉(250)에 결합되어 면압을 발생시키는 적어도 하나의 완충수단(210)을 포함한다.
상기 스택 지지대(270)는 상기 연료전지 스택(260)을 지지하기 위한 것으로 상기 스택 지지대(270)에는 복수의 단위셀이 적층된 연료전지 스택(260)이 가로방향으로 배치된다.
상기 면압 인가판(280)은 상기 가로방향으로 적층된 연료전지 스택(260)의 어느 일 면에 밀착되어 상기의 면압 전달봉(250)과 연결되어 상기 면압 전달봉(250)에 의해 전달된 힘으로 상기 스택(260)에 일정한 면압을 인가하게 된다.
상기 면압 전달봉(250)은 일단이 상기 면압 인가판(280)과 볼트등의 체결수단에 의해 연결되며 상기 스프링(210)에 의해 발생된 힘을 상기 면압 인가판(280)에 전달하게 된다.
상기 면압 전달봉(250)은 복수개로 구성될 수 있으나 바람직하게는 상기 스택(260)의 전체 면에 고른 면압인가를 위해 4개로 구성될 수 있다.
상기 면압 지지판(285)은 상기 연료전지 스택(260)의 다른 면과 밀착되어 상기 면압 인가판(280)에 의해 상기 스택(260)의 어느 일면에 면압이 인가될 때 반대편에서 면압을 지지하면서 상기 스택(260)에 면압이 일정하게 유지되도록 한다.
상기 면압 지지봉(290)은 상기 면압 지지판(285)과 연결되며 발생된 면압을 지지하게 된다.
상기 완충수단(210)은 상기 면압 전달봉(250)의 타단의 인접부에 결합되며, 자동제어 시스템(미도시)에 의해 연결되어 일정한 외력이 완충수단(210)에 가해질 수 있다.
상기 완충수단(210)에 가해진 외력은 상기 면압 전달봉(250) 및 상기 면압 인가판(280)에 의해 상기 스택(260)에 면압을 인가하게 된다.
또한, 상기 완충수단(210)은 바람직하게는 4개로 구성됨으로써 상기 스택(260)의 가장자리에 4축의 면압이 균일하게 인가되도록 할 수 있다.
상기 면압 인가부(200)는 상기 적어도 하나의 면압 전달봉(250)과 상기 면압 지지봉(290)을 지지하기 위한 브라켓(240)을 더 포함한다.
상기 브라켓(240)에 의해 상기 복수의 면압 전달봉(250)과 면압 지지봉(290)이 지지됨으로서 상기 스택(260)에 인가되는 면압을 균일하게 유지할 수 있다.
상기 면압 전달봉(250)은 커플링(255)(coupling)으로 연결됨으로써 탈부착이 용이하도록 구성될 수 있으며 상기 커플링(255)으로는 U자 형태의 부싱(bushing)이 사용될 수 있다.
본 발명에 의한 면압인가 장치에서 연료전지 스택의 면압은 0.5kgf/cm2~3kgf/cm2의 범위에서 조절이 가능할 수 있다.
면압이 인가된 상기 연료전지 스택(260)으로부터 변위 측정을 수행하는 단계는 상기 면압 인가부(200)를 통해 상기 연료전지 스택(260)에 면압이 인가될 경우, 상기 스택(260)의 움직임을 변위 탐침 고정자(220)등을 통해 실시간으로 확인하는 단계를 말한다.
상기 복수의 면압 전달봉(250) 및 상기 면압 지지봉(290)에는 각각 로드셀(230)이 장착된다.
상기 로드셀(230)은 상기 면압 전달봉(250) 및 상기 면압 지지봉(290)의 각각에 설치되어 상기 스택(260)에 가해지는 하중의 변화량을 측정한다.
이와 같이 상기 면압 전달봉(250) 및 상기 면압 지지봉(290)에 로드 셀을 장착함으로써 스택(260)의 운전중에 상기 면압 전달봉(250) 및 상기 면압 지지봉(290)에 걸리는 하중을 나타내어 스택(260)의 변화 및 면압의 변화를 실시간으로 관찰할 수 있게 된다.
또한, 상기 면압 전달봉(250)에는 스택(260)의 운전시 변위등의 거동을 확인할 수 있는 변위 탐침 고정자(220)가 장착될 수 있다.
상기 변위 탐침 고정자(220)를 통하여 스택(260) 운전시의 거동을 실시간으로 확인할 수 있다.
본 발명에 의한 연료전지 스택(260)의 가로방향 면압인가 방법은 상기 연료전지 스택(260) 및 상기 면압 인가부(200)의 일부를 로(100)에 장입하는 단계를 더 포함한다.
연료전지 스택(260)을 로(100)에 장입하여 로(100)의 온도를 증가시키면서 연료전지 스택(260)이 운전시 스택(260)의 변위 거동과 작용되는 면압의 변화를 계측할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 스택(260)의 운전을 위하여는 복수의 단위 셀들이 밀봉된 상태를 유지해야 하며 밀봉재는 마이카 계열 혹은 유리질(glass base) 계열이 사용될 수 있다.
밀봉재로 유리질 계열을 사용하는 경우, 유리질을 형성하는 분말을 슬러리(slurry) 형태로 만든 후 페이스트(paste)를 스택에 바른 후 온도를 높임과 동시에 압력을 가하여 750℃~850℃ 유리전이 온도(glass transition temperature) 이상으로 가열한 후 상온으로 냉각시켜 스택의 밀봉이 이루어지도록 한다.
본 발명에 의한 연료전지 스택의 가로방향 면압 인가장치를 통해 연료전지 스택에 균일한 면압을 인가할 수 있으며 실시간으로 면압을 제어할 수 있다.
본 발명의 연료전지 스택의 가로방향 면압 인가장치는 자중의 영향을 배제할 수 있으며 스택의 움직임을 변위 탐침을 통해 실시간으로 확인할 수 있어 최적화된 스택 거동을 판단할 수 있다.
또한, 연료전지 스택의 부하 운전 시에는 필연적으로 저항에 의한 발열반응을 수반하게 되는데 세로 적층 스택의 경우에는 열이 위로 향한다는 관점에서 상하부 온도 편차가 존재하게 됩니다. 그러나 본 발명에서는 가로방향으로 스택을 위치시킴으로써 온도 편차를 해소할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 로 200 : 면압 인가부
300 : 표시부 210 : 완충수단
220 : 변위 탐침 고정자 230 : 로드셀
240 : 브라켓 250 : 면압 전달봉
255 : 커플링 260 : 스택
265 : 판 스프링 267 : 제1 엔드 플레이트
268 : 제2 엔드 플레이트 280 : 면압 인가판
285 : 면압 지지판 290 : 면압 지지봉

Claims (11)

  1. 복수의 단위셀이 적층된 연료전지 스택에 가로방향의 면압을 인가하기 위한 면압 인가부; 및
    상기 연료전지 스택에 인가된 면압을 나타내는 표시부를 포함하는 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 면압 인가부는
    연료전지 스택을 지지하기 위한 스택 지지대;
    상기 스택 지지대 위에 놓이는 상기 연료전지 스택의 어느 일 면에밀착되어 면압을 인가하기 위한 면압 인가판;
    상기 면압 인가판에 연결되어 면압을 전달하기 위한 적어도 하나의면압 전달봉;
    상기 연료전지 스택의 다른 면에 밀착되어 면압을 지지하기 위한 면압 지지판;
    상기 면압 지지판에 연결되는 면압 지지봉; 및
    상기 면압 전달봉에 결합되어 면압을 발생시키는 적어도 하나의 완충수단을 포함하는 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 면압 인가부는 상기 적어도 하나의 면압 전달봉과 상기 면압 지지봉을 지지하기 위한 브라켓을 더 포함하는 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 면압 전달봉은 커플링(coupling)으로 연결되어 탈부착이 용이한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 면압 전달봉은 로드셀과 변위 탐침 고정자가 결합된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 완충수단은 4축의 면압을 인가하도록 4개로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택 및 상기 면압 인가부의 일부가 장입되며 상기 연료전지 스택의 고온 운전특성을 평가하기 위한 로를 더 포함하는 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 양면에 엔드 플레이트가 배치되며, 적어도 하나의 상기 엔드 플레이트 일면과 상기 면압 인가판 사이에 판 스프링이 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 면압 인가판의 일면은 크로스 심(cross shim) 형상인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 장치.
  10. 복수의 단위셀이 적층된 연료전지 스택을 제공하는 단계;
    상기 연료전지 스택에 면압 인가부를 통해 가로방향의 면압을 인가하는 단계; 및
    면압이 인가된 상기 연료전지 스택으로부터 면압측정을 수행하는단계를 포함하는 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 방법.
  11. 제 10 항에서,
    상기 연료전지 스택 및 상기 면압 인가부의 일부를 로에 장입하는 단계를 더 포함하는 연료전지 스택의 가로방향 면압인가 방법.
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