KR20130028185A

KR20130028185A - 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치

Info

Publication number: KR20130028185A
Application number: KR1020110091521A
Authority: KR
Inventors: 임철호
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2013-03-19
Also published as: KR101836492B1

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치에 관한 것으로서, 연료전지 스택 내 면압의 변화를 검출하여 스택 내 면압이 항상 일정하게 유지되도록 스택 내 면압을 자동으로 보정해줄 수 있는 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치를 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위하여, 연료전지 스택에서 단위 셀들과 엔드플레이트를 결합시키는 체결밴드의 길이변화량을 검출하기 위한 길이변화량 검출수단과; 상기 길이변화량 검출수단의 검출값을 입력받아 스택 내 면압을 자동으로 보정해주기 위한 제어신호를 출력하는 제어기와; 상기 스택이 마운팅 고정되는 프레임과, 스택의 엔드플레이트 사이에 설치되어, 상기 제어기에서 출력되는 제어신호에 따라 엔드플레이트를 전후 구동시킴으로써 엔드플레이트를 통해 스택의 셀들에 가해지는 체결압력 및 스택 내 면압을 조절해주는 체결압조절장치;를 포함하는 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치가 개시된다.

Description

연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치{System for adjusting jointing pressure of fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 스택의 면압 보정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택 내 면압의 변화를 검출하여 스택 내 면압이 항상 일정하게 유지되도록 스택 내 면압을 자동으로 보정해줄 수 있는 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치에 관한 것이다.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 발전장치로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 연료전지 중 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 형태가 가장 많이 연구되고 있다.

고분자 전해질막 연료전지의 스택은, 수소 이온이 이동하는 고체 고분자 전해질막을 중심으로 막 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA), 반응기체를 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL), 반응기체 및 냉각수를 이동시키는 유로가 형성된 분리판(Seperator), 반응기체 및 냉각수의 기밀을 유지하기 위한 가스켓(Gasket)으로 이루어지는 단위 셀들을 적층한 뒤 그 양단에 이들을 지지 및 고정하기 위한 엔드플레이트(End plate)가 체결기구에 의해 소정의 면압을 유지하면서 결합된 것으로서, 통상 엔드플레이트 사이에 100 ~ 300개 정도의 단위 셀들이 배열된다.

이와 같이 연료전지 차량에 탑재되는 스택은 높은 출력이 요구됨에 따라 수백 장의 단위 셀들을 적층하여 조립함으로써 그 요건을 만족시키고 있다.

한편, 연료전지 스택 내의 면압은 알려진 바와 같이 접촉저항 상승에 의한 오믹 손실(Ohmic Loss), 기체확산층 내의 물질전달 저항에 직접적으로 관계되므로, 스택의 체결력을 적절히 유지하는 것은 좋은 스택 성능을 얻기 위한 필수적인 조건이라 하겠다.

특히, 스택의 조립에 있어서 스택을 구성하고 있는 단위 셀의 구성요소(MEA/GDL/Seperator) 간에 작용하는 면압은 스택 출력에 큰 영향을 미치게 된다.

도 1은 연료전지 스택에서 면압에 따른 접촉 계면의 전기저항을 나타내는 도면으로, 면압이 증가할수록 전기저항이 감소함을 볼 수 있다.

도 2는 연료전지 스택의 조립 및 고정 상태를 나타내는 도면으로, 이를 참조하여 스택의 조립 과정을 설명하면, 먼저 단위 셀(MEA+GDL+Seperator+Gasket)(11)들을 적층한 뒤 양단에 엔드플레이트(12)를 조립하고, 프레스 장비로 압축한 뒤 체결밴드(13)를 이용하여 고정한다.

이어 조립된 스택(10)을 마운팅 브라켓(21)을 이용하여 주변의 고정 구조물인 프레임(20)에 고정하게 된다.

한편, 연료전지의 작동 중에는 내부 온도 변화에 따라 스택의 수축/팽창(적층방향으로의 수축/팽창)이 반복적으로 발생하는데, 수축/팽창의 반복 발생과 더불어 가스켓이나 기체확산층의 열화가 발생할 경우, 그로 인해 스택 내부의 면압에 변화가 발생한다.

도 3은 연료전지의 작동 중 내부 온도에 따라 면압이 변화하는 상태를 보여주는 도면으로, 내부 온도에 따라 면압이 증가함을 보여주고 있다.

만약 내부 온도에 따라 스택이 수축/팽창을 반복하고 열화로 인해 가스켓 및 기체확산층의 압축 영구 변형 등이 발생하면 면압이 저하되면서 접촉저항의 증가가 나타나게 된다.

이 경우 연료전지 스택의 성능 저하와 더불어 반응기체 등 작동 유체의 누설 문제가 발생할 수 있다.

또한 연료전지의 작동 중 열팽창에 의해 과도한 면압이 발생할 경우에는 막전극접합체와 기체확산층을 과도하게 압축하게 되므로, 이들의 기계적 내구성을 저하시키는 원인이 되고, 기체 확산 및 생성수 배출을 방해하여 그로 인한 스택의 성능 저하를 야기할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 연료전지 스택 내 면압의 변화를 검출하여 스택 내 면압이 항상 일정하게 유지되도록 스택 내 면압을 자동으로 보정해줄 수 있는 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 스택에서 단위 셀들과 엔드플레이트를 결합시키는 체결밴드의 길이변화량을 검출하기 위한 길이변화량 검출수단과; 상기 길이변화량 검출수단의 검출값을 입력받아 스택 내 면압을 자동으로 보정해주기 위한 제어신호를 출력하는 제어기와; 상기 스택이 마운팅 고정되는 프레임과, 스택의 엔드플레이트 사이에 설치되어, 상기 제어기에서 출력되는 제어신호에 따라 엔드플레이트를 전후 구동시킴으로써 엔드플레이트를 통해 스택의 셀들에 가해지는 체결압력 및 스택 내 면압을 조절해주는 체결압조절장치;를 포함하는 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치를 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 길이변화량 검출수단은 체결밴드의 길이가 팽창 또는 수축됨에 따른 체결밴드의 변위량을 검출하기 위한 변위센서인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제어기는 체결밴드의 길이변화량 및 탄성계수로부터 계산되는 탄성력과, 미리 저장된 체결밴드의 단면적 및 스택의 체결밴드 개수로부터 체결밴드에 작용하는 압력을 산출하고 산출된 압력에 따라 체결압조절장치의 구동을 제어하게 되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제어기는 체결밴드에 작용하는 압력이 미리 설정된 압력 범위 내에서 유지되도록 체결압조절장치의 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 체결압조절장치는 프레임에 고정 설치되고 제어기의 제어신호에 따라 구동 제어되는 모터와; 상기 모터의 구동축에 장착되는 피니언과; 상기 프레임에 전후 이동 가능하게 조립되고 단부가 스택의 엔드플레이트에 일체 고정되며 상기 피니언에 치합된 상태에서 피니언 회전시 전후 이동되어 엔드플레이트를 전후 구동시키는 랙;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치에 의하면, 체결밴드의 길이변화량을 검출하는 길이변화량 검출수단의 검출값으로부터 제어기가 체결압조절장치의 구동을 제어하여 엔드플레이트를 통해 가해지는 스택의 체결압력, 즉 적층된 셀들에 가해지는 압축압력을 자동으로 조절해주게 됨으로써, 스택 내 변화되는 여러 조건에 상관없이 스택 내 면압을 일정하게 유지시켜줄 수 있게 된다.

결국, 반응기체 등 스택에서의 유체 누출을 방지할 수 있게 되고, 전기저항 감소, 반응기체의 원활한 확산 및 생성수의 용이한 배출이 가능해지면서 스택의 출력 성능을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 연료전지 스택에서 면압에 따른 접촉저항을 나타내는 그래프이다.
도 2는 연료전지 스택의 조립 및 체결, 고정 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 연료전지의 작동 중 내부 온도에 따라 면압이 변화하는 상태를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 면압 자동 보정 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치에 관한 것으로서, 연료전지 스택의 단위 셀들을 압축, 체결하고 있는 체결부재의 길이변화량을 측정하여 간접적으로 스택 내부의 면압 변화를 검출하고 엔드플레이트를 통해 스택의 셀들에 가해지는 압력을 조절해주어 스택 내 면압을 자동으로 보정해주는 면압 자동 보정 장치에 관한 것이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 면압 자동 보정 장치의 구성을 나타내는 도면으로서, 도시된 바와 같이, 본 발명의 면압 자동 보정 장치는 단위 셀(11)들과 엔드플레이트(12)를 결합시키는 체결부재(13)의 길이변화량을 검출하기 위한 길이변화량 검출수단(31)을 포함한다.

여기서, 체결부재(13)는 스택(10)의 적층된 단위 셀(11)들과 엔드플레이트(12)를 감으면서 소정의 체결압으로 결합시키는 체결밴드가 될 수 있으며, 상기 길이변화량 검출수단(31)은 체결밴드(13)에 직접 설치되거나 체결밴드 주변으로 고정 배치되는 고정 부품에 설치되어, 체결밴드(13)의 길이변화량, 즉 팽창 또는 수축에 따른 체결밴드(13)의 변위량을 검출해내기 위한 변위센서가 될 수 있다.

상기 변위센서(31)는 스택(10) 내 면압 변화가 발생함으로 인해 체결밴드(13)의 길이가 미세하게 늘어나거나 수축될 때 체결밴드(13)의 팽창 또는 수축 정도에 해당하는 변위량을 검출하게 된다.

또한 본 발명의 면압 자동 보정 장치는 변위센서(31)의 검출값, 즉 체결밴드(13)의 수축 또는 팽창시 나타나는 변위량 검출값을 입력받아 스택(10)의 면압을 자동 보정해주기 위한 제어신호를 출력하는 제어기(32)를 포함한다.

상기 제어기(32)는 체결밴드(13)의 변위량(즉, 길이변화량) 및 탄성계수로부터 계산되는 탄성력(F = kx, 여기서 k는 탄성계수, x는 검출되는 변위량임)과, 미리 저장된 체결밴드(13)의 정보, 즉 체결밴드(13)의 단면적 및 스택(10)의 체결밴드 개수로부터 체결밴드에 작용하는 압력(스택에서 체결밴드에 작용하는 압력)을 계산하게 된다.

이 압력은 현재의 스택 체결압력과 현재의 스택 내 면압에 관계되는 값으로, 체결밴드(13)에 작용하는 압력이 클수록 스택 체결압력과 스택 내 면압이 큰 상태이고, 체결밴드에 작용하는 압력이 작을수록 스택 체결압력과 스택 내 면압이 작은 상태이다.

또한 엔드플레이트(12)를 통해 스택(10)의 셀(11)들에 가해지는 스택 체결압력(압축압력)을 낮출수록 스택 내 면압은 감소하게 되고, 반대로 스택 체결압력을 높일수록 스택 내 면압은 증가하게 된다.

따라서, 스택(10)이 셀(11)의 적층방향으로 팽창하여 스택 내 면압이 과도하게 증가하게 되면 현재 체결밴드(13)에 작용하는 압력이 적정 범위를 넘어 증가하게 되는바, 이때 스택(10) 내 면압을 낮추기 위해서는 엔드플레이트(12)를 통해 스택(10)의 셀(11)들에 가해지는 체결압력을 낮추어주어야 한다.

반대로, 스택(10)이 수축하여 스택 내 면압이 과도하게 감소하게 되면 현재 체결밴드(13)에 작용하는 압력이 적정 범위 아래로 감소하게 되는바, 이때 스택(10) 내 면압을 높이기 위해서는 엔드플레이트(12)를 통해 스택(10)의 셀(11)들에 가해지는 체결압력을 높여주어야 한다.

이러한 점을 고려하여, 본 발명의 제어기(32)는 변위센서(31)의 검출값 및 저장된 정보로부터 스택(10)으로부터 체결밴드(13)에 작용하는 압력을 산출한 뒤, 산출된 압력을 미리 설정된 압력 범위와 비교하여 산출 압력이 설정 압력 범위의 상한값을 초과할 경우, 엔드플레이트(12)를 통해 스택(10)의 셀(11)들에 가해지는 체결압력을 낮춰주기 위한 제어신호를 출력하게 된다.

이와 반대로, 제어기(32)는 산출된 압력이 설정 압력 범위의 하한값 미만인 경우, 엔드플레이트(12)를 통해 스택(10)의 셀(11)들에 가해지는 체결압력을 높여주기 위한 제어신호를 출력하게 된다.

이와 같은 방식을 통해 제어기(32)는 체결밴드(13)에 작용하는 압력이 설정 압력 범위 내에서 유지될 수 있도록 후술하는 체결압조절장치(33)의 구동을 제어하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 면압 자동 보정 장치는 제어기(32)에서 출력되는 제어신호에 따라 엔드플레이트(12)를 통해 스택(10)의 셀(11)들에 가해지는 체결압력을 조절해주기 위한 체결압조절장치(33)를 포함한다.

상기 체결압조절장치(33)는 스택(10)이 마운팅 고정되는 프레임(20)과, 스택(10)의 엔드플레이트(12) 사이에 설치되어, 프레임(20)으로부터 엔드플레이트(12)를 전후 구동시킴으로써 엔드플레이트(12)를 통해 스택의 셀(11)들에 가해지는 체결압력(압축압력)을 조절해주게 된다.

상기 체결압조절장치(33)는 프레임(20)에 고정 설치되는 모터(34)와, 상기 모터(34)의 구동축에 장착되는 피니언(pinion)(35)과, 상기 프레임(20)과 스택(10)의 엔드플레이트(12) 사이에 연결 설치되는 랙(rack)(36)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 모터(34)의 구동은 제어기(32)의 제어신호에 따라 제어되며, 랙(36)과 피니언(35)은 치합된 상태로 결합되어 구비된다.

또한 랙(36)은 프레임(20)의 가이드부에 전후 슬라이드 가능하게 결합되면서 일단부가 스택의 엔드플레이트(12)에 일체로 고정되어 구비되는 것으로, 이때 상기 가이드부는 프레임(20)에 별도 조립되어 랙(36)의 전후 이동을 안내하는 가이드 구조물이 될 수 있다.

또는 가이드부는 도 4에 나타낸 바와 같이 간단히 프레임(20)에 랙(36)의 전후 이동이 가능하도록 랙(36)의 일부가 삽입되는 가이드홈(24)이 될 수 있다.

결국, 제어기(32)의 제어신호에 따라 모터(34)의 구동이 제어될 경우 모터(34)의 정방향 또는 역방향의 회전력이 피니언(35)을 통해 랙(36)에 전달되고, 이에 랙(36)이 미세하게 전후로 이동하게 되면서 엔드플레이트(12)에 가해지는 힘을 조절해주게 된다.

상기 피니언(35)의 회전으로 랙(36)이 미세하게 전후 구동될 경우, 랙(36)의 일단부가 고정된 엔드플레이트(12)가 랙(36)에 의해 단위 셀(11)들을 압축하도록 가압되거나 압축력을 줄여주도록 당겨지게 되며, 엔드플레이트(12)가 가압될 경우 체결압력을 증가시켜 스택(10)의 내부 면압을 증가시키고, 반대로 엔드플레이트(12)가 당겨질 경우 체결압력을 상대적으로 감소시켜 스택(10)의 내부 면압을 낮추게 된다.

이와 같이 제어기(32)가 변위센서(31)의 검출값에 따라 체결압조절장치(33)의 구동을 제어(모터의 구동을 제어)하여 엔드플레이트(12)를 미세하게 전후로 작동시킴으로써 스택 내 최적의 면압 유지가 가능해지게 된다.

그리고, 본 발명에서 체결밴드(13)가 체결된 스택(10) 양단의 두 엔드플레이트(12) 중 하나(도 4에서 좌측의 엔드플레이트)는 프레임(20)에 마운팅 브라켓(21)을 매개로 움직이지 않게 완전히 고정되나, 타단의 엔드플레이트(도 4에서 우측의 엔드플레이트)는 체결압조절장치(33)의 구동시, 즉 모터(34) 및 피니언(35), 랙(36)의 구동시 전후로 이동되어야 하므로 프레임(20)과는 이격되도록 배치된다.

이때, 마운팅 브라켓(21)의 홀에 관통 삽입된 체결볼트(22)가 상기 타단의 엔드플레이트(12)에 나사체결되며, 마운팅 브라켓(21)의 홀에는 나사체결되지 않고 단순히 관통 삽입되어 엔드플레이트(12) 및 볼트(22)의 전후 이동이 가능하도록 되어 있다.

또한 이격된 상기 타단의 엔드플레이트(12)와 프레임(20) 사이에는 프레임(20)으로부터 엔드플레이트(12)를 탄력 지지하는 스프링을 설치하는데, 도시한 실시예에서는 상기 스프링으로서 체결볼트(22) 상에 코일스프링(23)이 설치되고 있다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 면압 자동 보정 장치에 의하면, 체결밴드의 길이변화량을 검출하는 길이변화량 검출수단(변위센서)의 검출값으로부터 제어기가 체결압조절장치의 구동을 제어하여 엔드플레이트를 통해 가해지는 스택의 체결압력, 즉 적층된 셀들에 가해지는 압축압력을 자동으로 조절해주게 됨으로써, 스택 내 변화되는 여러 조건에 상관없이 스택 내 면압을 일정하게 유지시켜줄 수 있게 된다.

결국, 반응기체 등 스택에서의 유체 누출을 방지할 수 있게 되고, 전기저항 감소, 반응기체의 원활한 확산 및 생성수의 용이한 배출이 가능해지면서 스택의 출력 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 스택 11 : 셀
12 : 엔드플레이트 13 : 체결밴드(체결부재)
20 : 프레임 21 : 마운팅 브라켓
22 : 체결볼트 23 : 코일스프링
24 : 가이드홈 31 : 길이변화량 검출수단
32 : 제어기 33 : 체결압조절장치
34 : 모터 35 : 피니언
36 : 랙

Claims

연료전지 스택(10)에서 단위 셀(11)들과 엔드플레이트(12)를 결합시키는 체결밴드(13)의 길이변화량을 검출하기 위한 길이변화량 검출수단(31)과;
상기 길이변화량 검출수단(31)의 검출값을 입력받아 스택(10) 내 면압을 자동으로 보정해주기 위한 제어신호를 출력하는 제어기(32)와;
상기 스택(10)이 마운팅 고정되는 프레임(20)과, 스택(10)의 엔드플레이트(12) 사이에 설치되어, 상기 제어기(32)에서 출력되는 제어신호에 따라 프레임(20)으로부터 엔드플레이트(12)를 전후 구동시킴으로써 엔드플레이트(12)를 통해 스택(10)의 셀(11)들에 가해지는 체결압력 및 스택(10) 내 면압을 조절해주는 체결압조절장치(33);
를 포함하는 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 길이변화량 검출수단(31)은 체결밴드(13)의 길이가 팽창 또는 수축됨에 따른 체결밴드(13)의 변위량을 검출하기 위한 변위센서인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어기(32)는 체결밴드(13)의 길이변화량 및 탄성계수로부터 계산되는 탄성력과, 미리 저장된 체결밴드(13)의 단면적 및 스택(10)의 체결밴드(13) 개수로부터 체결밴드(13)에 작용하는 압력을 산출하고 산출된 압력에 따라 체결압조절장치(33)의 구동을 제어하게 되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제어기(32)는 체결밴드(13)에 작용하는 압력이 미리 설정된 압력 범위 내에서 유지되도록 체결압조절장치(33)의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치.
청구항 1, 청구항 3, 또는 청구항 4에 있어서,
상기 체결압조절장치(33)는
프레임(20)에 고정 설치되고 제어기(32)의 제어신호에 따라 구동 제어되는 모터(34)와;
상기 모터(34)의 구동축에 장착되는 피니언(35)과;
상기 프레임(20)에 전후 이동 가능하게 조립되고 단부가 스택(10)의 엔드플레이트(12)에 일체 고정되며 상기 피니언(35)에 치합된 상태에서 피니언(35) 회전시 전후 이동되어 엔드플레이트(12)를 전후 구동시키는 랙(36);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치.