KR20130083280A - 스택 체결부재 및 이를 사용한 연료전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수개의 셀이 적층된 스택의 양단에 배치되고 상기 스택을 압착하는 한 쌍의 엔드플레이트를 체결하는 체결부재에 있어서, 상기 엔드플레이트에 삽입되어 상기 엔드플레이트를 관통하는 볼트; 및 상기 한 쌍의 엔드플레이트 사이에서 개재되고, 상기 볼트가 단부에서 길이 방향으로 삽입되며 상기 적층된 스택의 압축높이에 상응하는 길이의 막대형상의 지지봉을 포함하는 스택 체결부재를 제공한다. 본 발명에 의하면 스택의 체결 시 균일하게 스택 전체에 압축력이 가해지도록 하면서, 사용 시 외부 충격에 의해 스택이 파손되는 것을 보호할 수 있다.

Description

스택 체결부재 및 이를 사용한 연료전지 스택{fastener for stack and fuel cell stack using the same}

본 발명은 연료전지 스택에 있어서, 스택의 체결 시 균일하게 스택 전체에 압축력이 가해지도록 하면서, 사용 시 외부 충격에 의해 스택이 파손되는 것을 보호할 수 있는 스택 체결부재 및 이를 사용한 연료전지 스택에 대한 것이다.

연료전지는 산화에 의해 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지의 일종으로 가장 전형적인 것에는 수소-산소 연료전지가 있다. 천연가스, 메탄올, 석탄 등의 연료를 이용해 수소를 생산하고, 연료전지 스택에 수소와 공기(산소)를 공급하여 전기에너지를 발생시킨다.

연료전지의 종류로는 고온에서 작동하는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 및 비교적 낮은 온도에서 작동하는 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC), 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cells, DMFC) 등이 있다.

연료전지 스택은 분리판과 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)의 적층체로서, 분리판 사이 또는 분리판과 막전극접합체 사이에 흐르는 유체가 이탈되지 않도록 스택 체결부재를 사용하여 스택을 적층된 방향으로 압력을 가해 체결한다.

이러한 체결을 위해 엔드플레이트 라고 하는 단단한 판형 부재를 스택의 양단에 배치하고, 한 쌍의 엔드플레이트를 관통하는 볼트를 이용하여 엔드플레이트 사이의 간격을 줄인다. 그 결과 스택은 적층방향으로 압축되면서 체결된다.

이때, 스택에서 수증기나 연료, 공기 등이 샐 수 있기 때문에 틈새가 생기지 않도록 균일하게 압축력을 가해 체결해야하나, 체결길이의 기준이 불명확하여 불균일한 길이로 압축하게 됨으로써, 틈새로 가스가 새는 경우가 발생하는 문제가 있다.

또한, 사용 중에 외부 충격이 가해지는 경우, 엔드플레이트에 의해 스택이 눌려짐에 따라, 스택이 파손되는 문제가 발생한다.

본 발명은 연료전지 스택에 있어서, 스택의 체결 시 균일하게 스택 전체에 압축력이 가해지도록 하면서, 사용 시 외부 충격에 의해 스택이 파손되는 것을 보호할 수 있는 스택 체결부재 및 이를 사용한 연료전지 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일측면에 따른 스택 체결부재는 복수개의 셀이 적층된 스택의 양단에 배치되고 상기 스택을 압착하는 한 쌍의 엔드플레이트를 체결하는 체결부재에 있어서, 상기 엔드플레이트에 삽입되어 상기 엔드플레이트를 관통하는 볼트; 및 상기 한 쌍의 엔드플레이트 사이에서 개재되고, 상기 볼트가 단부에서 길이 방향으로 삽입되며 상기 적층된 스택의 압축높이에 상응하는 길이의 막대형상의 지지봉을 포함한다.

이때, 상기 지지봉은, 절연체로 코팅된 스테인레스 스틸, 절연체로 코팅된 티타늄합급강, 절연체로 코팅된 고장력강 및 엔지니어링 플라스틱 중 어느 하나의 재질로 형성할 수 있다.

이때, 상기 볼트는, 상기 한 쌍의 엔드플레이트를 동시에 관통하며, 일단은 상기 한 쌍의 엔드플레이트 중 일측의 엔드플레이트 바깥에 위치하는 헤드; 및 타단은 상기 한 쌍의 엔드플레이트 중 타측의 엔드플레이트를 체결하기 위한 나사부를 포함하며, 상기 지지봉은, 내부가 비어있는 튜브형상으로 상기 볼트가 그 내부로 관통한다.

한편, 상기 지지봉은, 양단에 암나사가 형성되어 있고, 상기 볼트는, 상기 암나사에 상응하는 수나사가 구비되는 한 쌍으로 구성되고, 상기 엔드플레이트를 외측 방향에서 관통하여 상기 지지봉의 양단에 각각 체결될 수도 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지 스택은 분리판과 막전극접합체을 포함하는 복수개의 셀이 적층된 스택; 상기 스택의 양단에 배치되고 상기 스택을 압착하며 둘레에 복수의 체결구멍이 형성된 한 쌍의 엔드플레이트; 및 상기 엔드플레이트에 삽입되어 상기 엔드플레이트의 체결구멍을 관통하는 볼트와 상기 엔드플레이트 사이에서 개재되고, 상기 볼트가 단부에서 길이 방향으로 삽입되며 상기 적층된 스택의 압축높이에 상응하는 길이의 막대형상의 지지봉으로 구성되는 스택 체결부재를 포함한다.

이때, 상기 지지봉은, 절연체로 코팅된 스테인레스 스틸, 절연체로 코팅된 티타늄합금강, 절연체로 코팅된 고장력강 및 엔지니어링 플라스틱 중 어느 하나의 재질로 형성할 수 있다.

이때, 상기 볼트는, 상기 한 쌍의 엔드플레이트를 동시에 관통하며, 일단은 상기 한 쌍의 엔드플레이트 중 일측의 엔드플레이트 바깥에 위치하는 헤드; 및 타단은 상기 한 쌍의 엔드플레이트 중 타측의 엔드플레이트를 체결하기 위한 나사부를 포함하며, 상기 지지봉은, 내부가 비어있는 튜브형상으로 상기 볼트가 그 내부로 관통한다.

한편, 상기 지지봉은, 양단에 암나사가 형성되어 있고, 상기 볼트는, 상기 암나사에 상응하는 수나사가 구비되는 한 쌍으로 구성되고, 상기 엔드플레이트를 외측 방향에서 관통하여 상기 지지봉의 양단에 각각 체결될 수도 있다.

이때, 상기 지지봉은 측면이 상기 스택과 접하여 상기 스택의 측방향 움직임을 차단할 수 있다.

본 발명의 스택 체결부재는 스택의 체결 시 균일하게 스택 전체에 압축력이 가해지도록 하면서, 사용 시 외부 충격에 의해 스택이 파손되는 것을 보호할 수 있다.

또한 그 구성이 간단하여 전체 스택의 구조를 복잡하게 하거나 대형화를 초래하는 일 없이 스택의 무게를 크게 증가시키지 않고도 스택을 보호할 수 있어 활용도가 높다.

도 1은 본 발명의 연료전지용 스택의 제1 실시예를 나타낸 부분 투시도.
도 2는 도 1에 이용된 스택 체결부재의 제1 실시예를 나타낸 투시도.
도 3은 본 발명의 연료전지용 스택의 제2 실시예를 나타낸 부분 투시도.
도 4는 도 3에 이용된 스택 체결부재의 제2 실시예를 나타낸 투시도.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하 본 발명의 스택 체결장치 및 그를 이용한 연료전지 스택에 대해 첨부도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일한 구성요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 연료전지용 스택의 제1 실시예를 나타낸 부분 투시도로서, 스택 체결부재(10), 엔드플레이트(5) 및 스택(1)이 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 분리판과 막전극접합체(MEA)로 구성된 셀이 여러 장 적층된 스택(1)의 양단에 엔드플레이트(5)가 위치한다. 엔드플레이트(5)는 스택(1)을 보호하면서 스택(1)을 단단하게 체결하기 위한 압축력을 가하는 부재이다.

이 때 이용된 스택 체결부재(10)는 한 쌍의 엔드플레이트(5)를 관통하여, 스택(1)의 양쪽에서 압력을 가하며, 한 쌍의 엔드플레이트(5) 간의 간격을 균일하게 배치할 수 있도록 가이드하며, 엔드플레이트(5)가 외압에 의해 눌려서 스택이 파손되는 것을 방지한다.

또한, 스택 체결부재(10)가 스택(1)과 접하여 스택(1)의 측방향 움직임을 차단할 수 있다. 스택(1)을 상하방향으로 고정하는 동시에 측방향의 움직임까지 차단할 수 있다.

본 실시예에서 이용된 스택 체결부재(10)의 제1 실시예에 대해 보다 자세히 도 2를 참조하여 설명하도록 한다. 도 2는 도 1에 이용된 스택 체결부재(10)의 일 실시예를 나타낸 투시도로서, 볼트(11), 볼트헤드(12), 너트(13), 지지봉(15) 및 나사부(19)가 도시되어 있다.

볼트(11)는 엔드플레이트(5)에 삽입되어 엔드플레이트(5)를 관통하여 엔드플레이트(5)를 스택(1)의 적층방향으로 당겨 스택(1)에 압력을 가하도록 한다.

본 실시예에서 이용된 볼트(11)는 한 쌍의 엔드플레이트(5)를 동시에 관통한다. 볼트(11)의 일단에 구비된 볼트헤드(12)는 스택(1)에 체결 시 한 쌍의 엔드플레이트(5) 중 일측의 엔드플레이트(5, 도 1의 앞쪽) 바깥에 위치한다.

볼트(11)의 타단에는 나사부(19)가 형성되어 있으며, 타측 엔드플레이트와 체결된다. 도 1에 도시된 바와 같이 타측 엔드플레이트(5, 도1의 뒷쪽) 바깥쪽으로 돌출되어 너트(13)와 결합할 수 있으며, 또는 나사부(19)에 상응하는 나사선을 엔드플레이트(5) 자체에 형성하여 나사부(19)와 체결할 수 있다(미도시).

본 실시예의 볼트(11)는 통상적으로 스택의 엔드플레이트(5) 체결시에 이용되는 부재로서, 본 실시예에의 스택 체결부재(10)는 기존의 스택 체결부재인 볼트(11)에 지지봉(15)을 추가한다.

지지봉(15)은 한 쌍의 엔드플레이트(5) 사이에 개재되는 막대형상의 부재이다. 볼트(11)가 지지봉(15)의 단부에서 길이 방향으로 삽입되며, 지지봉(15)의 길이는 적층된 스택(1)의 압축높이에 상응한다.

스택(1)의 압축높이란 적층된 스택(1)이 단위셀간에 단단하게 결합하여 가스가 새지 않도록 충분히 압축될 수 있는 적층높이이면서, 그 이상 압축되는 경우 스택(1)이 파손될 우려가 있는 길이를 의미한다.

한 쌍의 엔드플레이트(5) 사이의 간격이 스택(1)의 압축높이 이상 압축되지 않도록 지지해야하므로, 지지봉(15)은 강성이 있는 소재로 제조한다. 예를 들면, 절연체로 코팅된 스테인레스 스틸, 절연체로 코팅된 티타늄합금강, 절연체로 코팅된 고장력강 및 엔지니어링 플라스틱 중 하나의 재질로 만들 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예에서는 볼트(11)가 관통할 수 있는 내부가 비어있는 튜브형상의 지지봉(15)을 이용한다. 내부 공간으로 볼트(11)가 관통되며, 그 크기는 볼트(11) 사이즈와 유사한 것이 바람직하다.

지지봉(15)의 외측 둘레는 엔드플레이트에 볼트(11)가 관통하는 구멍으로 빠지지 않도록 그 보다 커야하며, 엔드플레이트(5)가 압착되었을 때 양 단부에서 엔드플레이트(5)를 지지하기 위함이다.

스택(1)의 측방향 움직임을 막기위해 스택(1)에 스택 체결부재(10)가 접하도록 배치하는 경우에 지지봉(15)의 측면이 접하게 된다. 연료전지의 스택은 전류가 흐르므로, 스택과 접하는 경우 안정적인 운전을 위해 상기 재질로 이루어진 지지봉(15)을 사용하는 것이 바람직하다.

막대형상의 지지봉(15)은 판형상의 지지부재를 이용하는 것에 비해 부피 및 중량을 최소화 할 수 있어, 연료전지 스택의 부피 및 무게 증가를 최소화 할 수 있고, 스택 체결부재(10)의 제조비도 최소화 할 수 있다. 또한 측면에서 결합하는 지지부재보다 본 발명의 일 실시예의 스택 체결부재(10)처럼 엔드플레이트(5) 사이에서 지지하는 것이 하중의 분산 측면에서 우수하다.

다음으로 도 3은 본 발명의 연료전지 스택의 제2 실시예를 나타낸 부분 투시도로서, 스택 체결부재(20), 엔드플레이트(5) 및 스택(1)이 도시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 분리판과 막전극접합체로 구성된 셀이 여러 장 적층된 스택(1)의 양단에 엔드플레이트(5)가 위치한다.

이 때 이용된 스택 체결부재(20)는 각 엔드플레이트(5)의 외측에서 한 쌍의 볼트(21)가 각각 삽입되는 형상으로 본 실시예에서 이용된 스택 체결부재(20)의 제2 실시예에 대해 보다 자세히 도 4를 참조하여 설명하도록 한다. 전술한 스택 체결부재의 제1 실시예에서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략한다.

도 4는 도 3에 이용된 스택 체결부재(20)의 제2 실시예를 나타낸 투시도로서, 본 실시예의 스택 체결부재(20)는 한 쌍의 볼트(21)와 지지봉(25)으로 구성된다.

볼트(21)는 볼트헤드(22)와 볼트수나사(23)로 구성된다. 본 실시예의 볼트(21)는 전술한 제1 실시예의 볼트(11)에 비해 짧으며, 한 쌍으로 구성된다.

볼트(21)는 한 쌍의 엔드플레이트(5) 바깥쪽에서 각각 결합하며 지지봉(25)과 한 쌍의 엔드플레이트(5) 사이에서 결합한다.

본 실시예의 지지봉(25)은 양단에 볼트수나사(23)와 회전결합 할 수 있는 지지봉암나사(26)를 구비하고 있어, 양단에서 볼트(21)와 체결될 수 있다. 즉, 엔드플레이트(5) 사이에 지지봉(25)을 개재하고, 엔드플레이트(5) 바깥쪽으로부터 안쪽방향으로 볼트(21)를 삽입하여 지지봉(25)의 단부와 회전결합한다.

지지봉(25)에 의해 엔드플레이트(5)가 지지봉(25)의 양단에 닿게 되면 더 이상 볼트(21)를 조일 수 없으며, 결과적으로 지지봉(25)의 길이에 상응하는 균일한 압축높이로 스택(1)이 체결되게 된다.

본 발명의 스택 체결부재는 스택의 체결 시 균일하게 스택 전체에 압축력이 가해지도록 하면서, 사용 시 외부 충격에 의해 스택이 파손되는 것을 보호할 수 있다.

또한 그 구성이 간단하여 전체 스택의 구조를 복잡하게 하거나 대형화를 초래하는 일없이 스택의 무게를 크게 증가시키지 않아 활용도가 높다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 스택 5: 엔드플레이트
10: 스택 체결부재 11: 볼트
12: 볼트헤드 13: 너트
15: 지지봉 19: 나사부
20: 스택 체결부재 21: 볼트
22: 볼트헤드 23: 볼트수나사
25: 지지봉 26: 지지봉암나사

Claims (9)

1. 복수개의 셀이 적층된 스택의 양단에 배치되고 상기 스택을 압착하는 한 쌍의 엔드플레이트를 체결하는 체결부재에 있어서,
   상기 엔드플레이트에 삽입되어 상기 엔드플레이트를 관통하는 볼트; 및
   상기 한 쌍의 엔드플레이트 사이에서 개재되고, 상기 볼트가 단부에서 길이 방향으로 삽입되며 상기 적층된 스택의 압축높이에 상응하는 길이의 막대형상의 지지봉을 포함하는 스택 체결부재.
2. 제1항에 있어서,
   상기 지지봉은,
   절연체로 코팅된 스테인레스 스틸, 절연체로 코팅된 티타늄합금강, 절연체로 코팅된 고장력강 및 엔지니어링 플라스틱 중 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 스택 체결부재.
3. 제1항에 있어서,
   상기 볼트는,
   상기 한 쌍의 엔드플레이트를 동시에 관통하며,
   일단은 상기 한 쌍의 엔드플레이트 중 일측의 엔드플레이트 바깥에 위치하는 헤드; 및
   타단은 상기 한 쌍의 엔드플레이트 중 타측의 엔드플레이트를 체결하기 위한 나사부를 포함하며,
   상기 지지봉은,
   내부가 비어있는 튜브형상으로 상기 볼트가 그 내부로 관통하는 것을 특징으로 하는 스택 체결부재.
4. 제1항에 있어서,
   상기 지지봉은,
   양단에 암나사가 형성되어 있고,
   상기 볼트는,
   상기 암나사에 상응하는 수나사가 구비되는 한 쌍으로 구성되고,
   상기 엔드플레이트를 외측 방향에서 관통하여 상기 지지봉의 양단에 각각 체결되는 것을 특징으로 하는 스택 체결부재.
5. 분리판과 막전극접합체를 포함하는 복수개의 셀이 적층된 스택;
   상기 스택의 양단에 배치되고 상기 스택을 압착하며 둘레에 복수의 체결구멍이 형성된 한 쌍의 엔드플레이트; 및
   상기 엔드플레이트에 삽입되어 상기 엔드플레이트의 체결구멍을 관통하는 볼트와 상기 엔드플레이트 사이에서 개재되고, 상기 볼트가 단부에서 길이 방향으로 삽입되며 상기 적층된 스택의 압축높이에 상응하는 길이의 막대형상의 지지봉으로 구성되는 스택 체결부재를 포함하는 연료전지 스택.
6. 제5항에 있어서,
   상기 지지봉은,
   절연체로 코팅된 스테인레스 스틸, 절연체로 코팅된 티타늄합금강, 절연체로 코팅된 고장력강 및 엔지니어링 플라스틱 중 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
7. 제5항에 있어서,
   상기 볼트는,
   상기 한 쌍의 엔드플레이트를 동시에 관통하며,
   일단은 상기 한 쌍의 엔드플레이트 중 일측의 엔드플레이트 바깥에 위치하는 헤드; 및
   타단은 상기 한 쌍의 엔드플레이트 중 타측의 엔드플레이트를 체결하기 위한 나사부를 포함하며,
   상기 지지봉은,
   내부가 비어있는 튜브형상으로 상기 볼트가 그 내부로 관통하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
8. 제5항에 있어서,
   상기 지지봉은,
   양단에 암나사가 형성되어 있고,
   상기 볼트는,
   상기 암나사에 상응하는 수나사가 구비되는 한 쌍으로 구성되고,
   상기 엔드플레이트를 외측 방향에서 관통하여 상기 지지봉의 양단에 각각 체결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
   
9. 제5항에 있어서,
   상기 지지봉은
   측면이 상기 스택과 접하여 상기 스택의 측방향 움직임을 차단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
   
   

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