KR20140020557A

KR20140020557A - 연료전지 스택의 탄성 체결장치

Info

Publication number: KR20140020557A
Application number: KR1020120087278A
Authority: KR
Inventors: 서정도
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2014-02-19

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 탄성 체결장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스택의 수축 발생시 스택의 체결력 감소 폭을 최소화하여 스택 내의 면압을 유지하기 위한 연료전지 스택의 탄성 체결장치에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 스택발전부의 양측 단을 각각 지지하기 위한 엔드플레이트들; 상기 엔드플레이트들 중 일측의 엔드플레이트와 스택발전부 사이에 개재되는 가압플레이트; 상기 일측의 엔드플레이트와 가압플레이트 사이에 압축변형된 상태로 개재되어 자체 탄성력에 의해 상기 가압플레이트의 전면에 대하여 일정 압력을 제공하는 탄성체; 상기 스택발전부, 가압플레이트, 탄성체, 및 엔드플레이트들을 양측에서 각각 감싸면서 일정 체결압으로 결합시키는 체결플레이트;를 포함하여 구성되며, 상기 탄성체는 일렬로 배열되는 중공형의 센터파이프들을 중심으로 상하 양측에 상판과 하판이 일체로 연결된 형태로 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 탄성 체결장치를 제공한다.

Description

연료전지 스택의 탄성 체결장치 {Device for tightening fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 스택의 탄성 체결장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스택의 수축 발생시 스택의 체결력 감소 폭을 최소화하여 스택 내의 면압을 유지하기 위한 연료전지 스택의 탄성 체결장치에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료전지는 요구되는 출력 수준을 충족하기 위해 단위 셀(unit cell)들을 적층하여 조립한 스택 형태로 사용하게 된다.

연료전지 스택을 구성하는 단위 셀(즉, 연료전지 셀)은 가장 안쪽에 전해질막과 전극을 포함하는 막전극접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)가 위치하고, MEA의 바깥 부분에 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)과 가스켓(gasket) 등이 적층되며, GDL의 바깥쪽에 유로를 제공하는 분리판이 접합된다.

다시 말해, 연료전지 스택은 양단의 엔드플레이트 사이에 100 ~ 300개 정도 적층되는 MEA, GDL, 분리판, 및 이들을 지지 고정하기 위한 엔드플레이트가 소정의 면압을 유지하며 결합 구성되고, 분리판들 사이에는 유체의 밀봉(seal)을 위하여 가스켓이 구성된다.

이러한 연료전지 스택 내의 면압은 접촉저항 상승에 의한 저항손(Ohmic Loss), GDL 내의 물질전달 저항에 직접적으로 관련되므로, 연료전지 스택의 출력성능을 향상하기 위해서는 스택의 체결력을 적절히 유지하는 것이 필수적이다.

한편, 종래의 연료전지 스택을 체결하는 방법은 볼트 및 밴드 방식을 주로 사용하고 있는바, 볼트 방식의 스택 체결 방법은 스택 길이 이상의 긴 볼트를 사용하고, 양단에 너트로 체결하는 방식이고, 밴드 방식의 스택 체결 방법은 스택 조립시 엔드플레이트를 프레스로 누른 상태에서 밴드를 걸고 볼트로 고정하는 방식이다(한국특허공개 제2005-43005호 참조).

그러나, 상기 볼트를 이용한 스택 체결 방법은 스택과 긴 볼트 사이의 공간, 엔드플레이트 외부로 나오는 너트부 등 데드 볼륨(Dead Volume)이 많이 생겨 차량적용에 부적합한 단점이 있다.

또한, 상기 밴드를 이용한 스택 체결 방법은 스택의 개별 구성요소의 탄성 특성이나 치수에 편차가 조금만 발생해도 조립된 스택의 길이가 크게 늘어나기 때문에 다양한 치수의 밴드를 준비하여 맞는 것을 선택 사용해야 하므로, 편차가 심한 스택의 길이에 제대로 대응해지 하는 문제점이 있고, 과체결시 가스확산층의 변형에 의한 성능저하가 발생하는 등 스택의 체결력 변화에 대응하지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 해결하기 위해 고안한 것으로서, 스택 내 면압을 유지하기 위하여 엔드플레이트와 스택발전부 사이에 압축변형된 탄성체를 개재하여 스택의 수축 발생시 스택의 체결력 감소 폭을 최소화하는 연료전지 스택의 탄성 체결장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 스택발전부의 양측 단을 각각 지지하기 위한 엔드플레이트들; 상기 엔드플레이트들 중 일측의 엔드플레이트와 스택발전부 사이에 개재되는 가압플레이트; 상기 일측의 엔드플레이트와 가압플레이트 사이에 압축변형된 상태로 개재되어 자체 탄성력에 의해 상기 가압플레이트의 전면에 대하여 일정 압력을 제공하는 탄성체; 상기 스택발전부, 가압플레이트, 탄성체, 및 엔드플레이트들을 양측에서 각각 감싸면서 일정 체결압으로 결합시키는 체결플레이트;를 포함하여 구성되며, 상기 탄성체는 일렬로 배열되는 중공형의 센터파이프들을 중심으로 상하 양측에 상판과 하판이 일체로 연결된 형태로 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 탄성 체결장치를 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 탄성체가 가압플레이트와 엔드플레이트 사이에 일렬로 배열되는 복수 개의 탄성파이프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 탄성 체결장치도 제공한다.

아울러 본 발명은, 스택발전부의 양측 단을 각각 지지하기 위한 엔드플레이트들; 상기 스택발전부와 엔드플레이트들을 복수 개의 체결밴드를 이용하여 소정의 체결압으로 결합시키는 체결수단; 상기 엔드플레이트들 중 일측의 엔드플레이트와 각각의 체결밴드 사이에 압축변형된 상태로 개재되고 자체 탄성력에 의해 상기 엔드플레이트의 전면에 대하여 일정 압력을 제공하는 탄성체;를 포함하여 구성되는 연료전지 스택의 탄성 체결장치를 제공하며,

상기 탄성체는 일렬로 배열되는 중공형의 센터파이프들을 중심으로 상하 양측에 상판과 하판이 일체로 연결된 형태로 형성되거나, 또는 일측의 엔드플레이트와 각각의 체결밴드 사이에 일렬로 배열되는 복수 개의 탄성파이프로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료전지 스택의 탄성 체결장치에 의하면 엔드플레이트와 스택발전부 또는 엔드플레이트와 체결수단 사이에 예압에 의해 압축변형된 탄성체를 구성하여 스택발전부의 일측 전면에 대해 소정의 면압을 제공함으로써 저온에서 스택의 수축 발생시 체결력 감소 폭을 감소시키고 스택의 최소 체결력을 유지할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 체결장치를 적용한 연료전지 스택을 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 체결장치의 요부 구조의 조립 전후를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성 체결장치를 적용한 연료전지 스택을 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택의 탄성 체결장치의 요부 구조를 나타낸 분해 사시도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성 체결장치의 요부 구조의 조립 전후를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄성 체결장치를 적용한 연료전지 스택을 나타낸 분해 사시도,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄성 체결장치를 적용한 연료전지 스택을 나타낸 결합 사시도,
도 8은 본 발명의 다시 또 다른 실시예에 따른 탄성 체결장치를 적용한 연료전지 스택을 나타낸 분해 사시도,
도 9는 본 발명의 다시 또 다른 실시예에 따른 탄성 체결장치를 적용한 연료전지 스택을 나타낸 결합 사시도.

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

본 발명은 복수 개의 연료전지 셀이 적층되어 구성되는 연료전지 스택을 하나로 체결하여 지지 고정하기 위한 탄성 체결장치에 관한 것으로, 특히 스택의 수축 발생시 스택의 체결력 저하 폭을 감소시키고 스택의 최소 체결력을 유지할 수 있도록 함에 특징이 있다.

이에 본 발명에 따른 연료전지 스택의 탄성 체결장치는 복수 개의 연료전지 셀이 적층되어 구성되는 스택발전부를 일정한 면압으로 체결하여 고정할 수 있도록 하기 위하여, 상기 스택발전부의 양측 단을 각각 지지하기 위한 엔드플레이트들이 구성된다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 탄성 체결장치에서는 스택발전부(10)의 양측 단을 각각 지지하기 위한 엔드플레이트(11,12)들 중 일측의 엔드플레이트(11)와 스택발전부(10) 사이에 판상의 가압플레이트(13)가 개재되고, 상기 일측의 엔드플레이트(11)와 가압플레이트(13) 사이에 탄성체(14)가 개재된다.

상기 탄성체(14)는 연신율이 큰 유리섬유 강화 복합재료, 탄소섬유 강화 복합재료, 금속 중 어느 하나의 재료로 이루어진 것으로, 도 2에 보이듯이 일렬로 배열되는 중공형의 센터파이프(14a)들을 중심으로 상하 양측에 상판(14b)과 하판(14c)이 일체로 연결되어 형성된다.

이러한 탄성체(14)는 엔드플레이트(11)와 가압플레이트(13) 사이에 조립되기 전에는 중앙에 센터파이트(14a)가 원형의 단면구조를 변형 없이 유지하고, 엔드플레이트(11)와 가압플레이트(13) 사이에 조립 시에는 프레스에 의해 가압되어 예압(Pre-stress)에 의해 압축변형된 상태로 조립된다.

예컨대, 스택 조립후 탄성체(14)는 압축변형됨에 의해 중앙에 센터파이프(14a)가 타원형과 흡사한 단면구조를 가지게 된다(도 2 참조).

상기 탄성체(14)는 엔드플레이트(11)와 가압플레이트(13) 사이에 압축변형된 상태로 개재됨으로써 자체 탄성력에 의해 상기 가압플레이트(13)의 전면에 대하여 일정 압력을 제공하게 되고, 일정 압력을 제공받은 가압플레이트(13)는 스택발전부(10)의 일측 전면에 대하여 일정한 면압을 제공하게 된다. 따라서 저온에서 가스켓 등 부품의 수축으로 스택발전부(10)의 수축이 발생하면 탄성체(14)가 탄성복원력에 의해 복원되면서 스택발전부(10)의 면압 변화를 감소시켜 스택의 체결력 저하 폭을 감소시킨다.

더 설명하면, 보통 연료전지 스택의 경우 일정한 면압으로 체결되기 때문에 스택발전부의 수축 발생시 급격한 체결력 저하가 발생하게 되나, 본 발명에서는 엔드플레이트(11)와 스택발전부(10) 사이에 상기 탄성체(14)를 압축한 상태로 개재함으로써 변형된 탄성체(14)가 복원됨에 따라 스택의 체결력 감소 현상이 완만하게 발생되고 영하 30℃의 극저온에서도 기체 누설 방지를 위한 최소 체결력을 유지할 수 있게 된다.

상기 탄성체(14)는 초기 체결상태에서 최대로 압축되어 조립되며 스택발전부(10)의 수축 정도에 따라 적절하게 복원되면서 스택의 체결력 감소 폭을 저하시키게 된다.

이러한 연료전지 스택의 탄성 체결장치에는 적층 구성되는 스택발전부(10)와 가압플레이트(13), 탄성체(14), 및 엔드플레이트(11,12)들을 감싸면서 일정한 체결압으로 스택 내의 소정의 면압을 유지하며 결합시키는 체결플레이트(15)가 구성된다.

상기 체결플레이트(15)는 스택발전부(10)의 일측면을 감쌀 수 있는 판상의 부재로서 스택발전부(10)의 양측면에 각각 배치되며, 도 1과 같이 양끝단이 절곡되어 양측 엔드플레이트(11,12)의 상면에 각각 결합 고정된다.

한편, 도 3 및 도 4에 도시한 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택의 탄성 체결장치에서, 탄성체(24)는 속이 빈 복수 개의 탄성파이프(24a)로 이루어지며, 각 탄성파이프(24a)는 연신율이 큰 유리섬유 강화 복합재료, 탄소섬유 강화 복합재료, 금속 중 어느 하나의 재료로 이루어진다.

더 설명하면, 상기 탄성체(24)는 가압플레이트(23) 상에 일렬로 배열되는 복수 개의 탄성파이프(24a)들로 이루어지며, 상기 가압플레이트(23)의 일면에는 탄성파이프(24a)가 굴러가지 않도록 위치를 고정하기 위한 위치고정홈(23a)들이 형성된다.

상기 위치고정홈(23a)을 이용하여 탄성파이프(24a)들을 위치시킨 가압플레이트(13) 위에 엔드플레이트(21)를 적층하는바, 상기 가압플레이트(23)에는 가압플레이트(13)의 면방향에 대해 수직방향으로 돌출되는 복수 개의 지지부재(23b)의 일단이 일체로 부착되어 있고, 각 지지부재(23b)의 타단은 엔드플레이트(21)를 직선이동 가능하게 관통한다.

상기 지지부재(23b)는 엔드플레이트(21)와 스택발전부(20) 사이에 개재된 가압플레이트(23)를 고정 및 지지하는 역할을 한다.

탄성체(24)는 도 5의 우측 도면과 같이 최대로 압축되어 조립되는데, 가압플레이트(23)와 엔드플레이트(21) 사이에 개재한 탄성체(24)를 스택발전부(20)의 상단(또는 하단)에 적층하고 프레스로 가압하여 누른 상태에서 체결플레이트(25)를 이용하여 스택발전부(20)와 가압플레이트(23), 탄성체(24), 및 엔드플레이트(21,22)들을 하나로 체결한다.

상기 체결플레이트(25)는 스택발전부(20)와 가압플레이트(23), 탄성체(24), 및 엔드플레이트(21,22)들을 감싸면서 일정한 체결압으로 결합시키는데, 양끝단에 각각 돌출 형성된 체결부(25a)를 엔드플레이트(21,22)의 결합홈(21a,22a)에 압입하여 고정한다.

상기 결합홈(21a,22a)은 각 체결부(25a)에 대응하는 형태로 형성되는데, 엔드플레이트(21,22)의 두께방향으로 점차 좁아지는 단면 형태로 엔드플레이트(21,22)의 양끝단에 각각 형성된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성체(24) 및 가압플레이트(23)는 전술한 실시예에서와 동일한 기능을 한다.

즉, 상기 탄성체(24)는 스택 조립시 예압에 의해 압축변형된 상태로 조립되며, 저온에서 스택발전부(20)의 수축이 발생하게 되면 탄성체(24)가 자체 탄성복원력에 의해 복원되면서 스택의 체결력 저하 폭을 감소시키고 극저온에서 기체 누설 방지를 위한 최소 체결력을 유지할 수 있도록 한다.

한편, 도 6 및 도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택의 탄성 체결장치가 도시되어 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택의 탄성 체결장치는 스택발전부(30)의 양측 단을 각각 지지하기 위한 엔드플레이트(31,32)들과, 상기 스택발전부(30)와 엔드플레이트(31,32)들을 소정의 체결압으로 결합시키는 체결수단(35), 및 상기 엔드플레이트(31,32)들 중 일측의 엔드플레이트(31)와 체결수단(35) 사이에 개재되는 탄성체(34)를 포함하여 구성된다.

상기 탄성체(34)는 전술한 일 실시예(도 1 및 도 2 참조)의 탄성체(14)와 동일한 재료를 사용하여 동일한 형태로 구성된다.

상기 체결수단(35)은 각각 'ㄷ'자 모양으로 된 복수 개의 체결밴드(35a)로 이루어지며, 이 체결밴드(35a)들을 이용하여 스택 내의 면압을 일정하게 유지할 수 있도록 일정한 체결압으로 스택발전부(30)와 엔드플레이트(31,32) 및 탄성체(34)를 감싸면서 하나로 체결한다.

스택 조립시 탄성체(34)는 각 체결밴드(35a)의 상단부(닫힌 부분임)와 엔드플레이트(31) 사이에 개재되어 체결밴드(35a)와 함께 프레스에 의해 가압되어 압축변형된 예압 상태로 조립되며, 스택발전부(30)와 엔드플레이트(31,32) 및 탄성체(34)를 감싼 체결밴드(35a)는 각각 하단부(열린 부분임)가 타측의 엔드플레이트(32)에 볼트로 체결된다.

또한, 도 8 및 도 9에 도시한 연료전지 스택의 탄성 체결장치에서, 탄성체(36)는 도 3 내지 5에 도시한 실시예와 같이 속이 빈 복수 개의 탄성파이프(36a)로 이루어진다.

일측 엔드플레이트(31)의 상단면에는 각 탄성파이프(36a)의 위치 고정을 위한 위치고정홈(31a)들이 체결밴드(35a)가 조립되는 위치에 형성되고, 각 탄성파이프(36a)들은 엔드플레이트(31)와 체결밴드(35a) 사이에서 일렬로 배열된다.

도면으로 도시하지는 않았으나, 상기 위치고정홈(31a)은 엔드플레이트(31) 대신 체결밴드(35a)에 형성되거나 또는 엔드플레이트(31)와 체결밴드(35a)에 동시에 형성될 수 있다.

도 6 및 도 7 그리고 도 8 및 도 9에 도시한 실시예에서 탄성체(34,36)는 자체 탄성력에 의해 엔드플레이트(31)의 전면에 대하여 일정 압력을 제공하고, 이에 상기 엔드플레이트(31)는 스택발전부(30)의 일측 전면에 일정 면압을 제공하게 된다.

따라서 스택발전부(30)의 수축 발생시 탄성체(34,36)가 복원되면서 스택의 체결력 저하 폭을 감소시켜 스택발전부(30)의 면압 변화를 감소시키게 된다.

특히, 저온에서 가스켓 등 부품의 수축이 발생하게 되면 스택의 체결력이 감소하게 되는데, 이때 예압에 의해 압축변형된 상태인 탄성체(34,36)가 복원되면서 스택의 체결력 저하 폭을 감소시키고 극저온에서 기체 누설 방지를 위한 최소 체결력을 유지할 수 있도록 한다.

참고로, 스택발전부(30) 및 엔드플레이트(31,32)의 측면에는 각 체결밴드(35a)의 위치 고정을 위한 체결밴드용 위치고정홈(37)이 형성되어 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10,20,30 : 스택발전부
11,12,21,22,31,32 : 엔드플레이트
13,23 : 가압플레이트
14,24,34,36 : 탄성체
15,25 : 체결플레이트
21a,22a : 결합홈
23a,31a : 위치고정홈
23b : 지지부재
24a,36a : 탄성파이프
25a : 체결부
35 : 체결수단
35a : 체결밴드
37 : 체결밴드용 위치고정홈

Claims

스택발전부의 양측 단을 각각 지지하기 위한 엔드플레이트들;
상기 엔드플레이트들 중 일측의 엔드플레이트와 스택발전부 사이에 개재되는 가압플레이트;
상기 일측의 엔드플레이트와 가압플레이트 사이에 압축변형된 상태로 개재되어 자체 탄성력에 의해 상기 가압플레이트의 전면에 대하여 일정 압력을 제공하는 탄성체;
상기 스택발전부, 가압플레이트, 탄성체, 및 엔드플레이트들을 양측에서 각각 감싸면서 일정 체결압으로 결합시키는 체결플레이트;
를 포함하여 구성되며, 상기 탄성체는 일렬로 배열되는 중공형의 센터파이프들을 중심으로 상하 양측에 상판과 하판이 일체로 연결된 형태로 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 탄성 체결장치.
스택발전부의 양측 단을 각각 지지하기 위한 엔드플레이트들;
상기 엔드플레이트들 중 일측의 엔드플레이트와 스택발전부 사이에 개재되는 가압플레이트;
상기 일측의 엔드플레이트와 가압플레이트 사이에 압축변형된 상태로 개재되어 자체 탄성력에 의해 상기 가압플레이트의 전면에 대하여 일정 압력을 제공하는 탄성체;
상기 스택발전부, 가압플레이트, 탄성체, 및 엔드플레이트들을 양측에서 각각 감싸면서 일정 체결압으로 결합시키는 체결플레이트;
를 포함하여 구성되며, 상기 탄성체는 가압플레이트와 엔드플레이트 사이에 일렬로 배열되는 복수 개의 탄성파이프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 탄성 체결장치.
스택발전부의 양측 단을 각각 지지하기 위한 엔드플레이트들;
상기 스택발전부와 엔드플레이트들을 복수 개의 체결밴드를 이용하여 소정의 체결압으로 결합시키는 체결수단;
상기 엔드플레이트들 중 일측의 엔드플레이트와 각각의 체결밴드 사이에 압축변형된 상태로 개재되고 자체 탄성력에 의해 상기 엔드플레이트의 전면에 대하여 일정 압력을 제공하는 탄성체;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 탄성 체결장치.
청구항 2에 있어서,
상기 가압플레이트의 일면에는 탄성파이프의 위치 고정을 위한 위치고정홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 탄성 체결장치.
청구항 2에 있어서,
상기 가압플레이트에는 엔드플레이트와 스택발전부 사이에 개재된 가압플레이트를 지지하기 위한 지지부재가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 탄성 체결장치.
청구항 3에 있어서,
상기 탄성체는 일렬로 배열되는 중공형의 센터파이프들을 중심으로 상하 양측에 상판과 하판이 일체로 연결된 형태로 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 탄성 체결장치.
청구항 3에 있어서,
상기 탄성체는 일측의 엔드플레이트와 각각의 체결밴드 사이에 일렬로 배열되는 복수 개의 탄성파이프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 탄성 체결장치.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄성체는 유리섬유 강화 복합재료, 탄소섬유 강화 복합재료, 금속 중 어느 하나의 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 탄성 체결장치.