KR20230131088A - 스프링을 활용한 연료전지 스택 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 스택 조립체에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 스택(stack); 상기 스택의 전후면에 각각 부착되어 전류를 전달하는 전극 플레이트; 상기 전극 플레이트에 연결되어 외부로 노출되는 전극리드; 상기 스택의 후면측으로 상기 전극 플레이트의 외측면과 접하도록 설치되는 제1 프레임부; 상기 스택의 전면측으로 상기 전극 플레이트의 외측면과 접하도록 설치되되, 스프링이 구비되어 상기 스택을 가압하는 제2 프레임부 및 상기 제1 및 제2 프레임부의 이격 간격을 고정시키는 제3 프레임부를 포함하는 연료전지 스택 조립체를 제공할 수 있다.

Description

스프링을 활용한 연료전지 스택 조립체{FUEL CELL STACK ASSEMBLY USING SPRING}

본 발명은 스프링을 활용한 연료전지 스택 조립체에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 다수의 스프링을 활용하여 조립압력을 지속적으로 유지할 수 있게 해줌으로써 스택의 내구성을 상승시킬 수 있는, 스프링을 활용한 연료전지 스택 조립체에 관한 것이다.

연료전지란 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치로 이 화학반응은 촉매층내에서 촉매에 의하여 이루어지며 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적인 발전이 가능하다.

또한, 연료전지는 전해질의 종류 및 작동 온도에 따라 알칼리형(AFC), 고분자 전해질형(PEMFC), 인산형(PAFC), 용융탄산염(MCFC), 고체산화물(SOFC) 연료전지 등으로 구분할 수 있으며, 고분자 전해질형 연료전지는 다시 수소를 연료로 하는 연료전지와 메탄올 액체를 연료로 하는 직접메탄올 연료전지 (DMFC)로 구분할 수 있다.

이 중, 고분자 전해질 연료전지는 고분자 전해질막을 중심으로 양쪽에 다공질의 연료극(anode)과 공기극(cathode)이 부착되어 있는 형태를 가지며, 연료극에서는 연료인 수소의 전기적 산화가, 그리고 공기극에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나 전기 에너지가 발생된다.

최근 고분자 전해질막을 효과적으로 적층하여 에너지 수율을 향상시키고자 하는 노력이 있다.

이 때, 고분자 전해질막들 사이에는 각 고분자 전해질막으로 반응 기체를 공급하기 위한 세퍼레이터(separator)가 삽입되는데, 고분자 전해질막들과 세퍼레이터간의 가스 기밀성이 확보되지 않을 경우 연료가 외부로 누설되어 에너지 수율이 낮아지고 연료가 낭비되며, 접촉저항이 커져 연료전지의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

(대한민국) 등록특허공보 제10-0627285호

상기와 같은 문제를 해결하고자, 본 발명은 다수의 스프링을 활용하여 조립압력을 지속적으로 유지할 수 있게 해줌으로써, 분리판의 고분자이온교환막의 접촉면적이 유지되도록 하며 가스켓의 유체 유출 방지 성능을 지속적으로 유지시킴에 따라 스택의 내구성을 상승시킬 수 있는 연료전지 스택 조립체를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 스프링을 활용한 연료전지 스택 조립체는 스택(stack), 상기 스택의 전후면에 각각 부착되어 전류를 전달하는 전극 플레이트, 상기 전극 플레이트에 연결되어 외부로 노출되는 전극리드, 상기 스택의 후면측으로 상기 전극 플레이트의 외측면과 접하도록 설치되는 제1 프레임부, 상기 스택의 전면측으로 상기 전극 플레이트의 외측면과 접하도록 설치되되, 스프링이 구비되어 상기 스택을 가압하는 제2 프레임부 및 상기 제1 및 제2 프레임부의 이격 간격을 고정시키는 제3 프레임부를 포함하고, 상기 스택은, 한 쌍의 관통홀이 형성되며, 적층되는 복수의 전지 셀, 판 형상으로 형성되어 상기 전지 셀 전후 양편에 배치되되, 일면에 상기 전지 셀이 안착되도록 형성된 적층홈 및 상기 관통홀과 대응되는 위치에 형성된 봉홀을 포함하는 한 쌍의 지그 플레이트, 상기 관통홀을 관통하고, 상기 봉홀에 삽입되어 상기 지그 플레이트에 설치되는 지지봉을 포함하고,상기 스택은, 상기 한 쌍의 지그 플레이트 사이에 설치되고, 상기 한 쌍의 지그 플레이트 사이 간격을 고정하며 상기 전지 셀과 접하여 방열 효과를 나타내는 하나 이상의 보조부재를 더 포함하고, 상기 지그 플레이트는, 전후면으로 관통되게 형성되되, 각 둘레면을 따라 길이를 가지도록 형성되어 상기 보조부재가 통과하여 설치되는 보조부재설치홀 및 상기 각 둘레면에 길이방향을 따라 이격되어 형성되고, 상기 보조부재설치홀을 통과하여 꺾인 상기 보조부재가 안착되어 고정되는 보조부재고정홈을 더 포함하고, 상기 제2 프레임부는, 판 형상으로 형성되어 상기 제3 프레임부와 결합되는 제2 프레임, 상기 전극 플레이트와 접하도록 설치되어, 상기 스택으로부터 생성된 전기가 상기 전극 플레이트 이외로 흐르는 것을 차단하는 제2 엔드 플레이트, 상기 제2 엔드 플레이트를 가압하는 가압 플레이트 및 상기 제2 프레임과 가압 플레이트 사이에 설치되어 상기 가압 플레이트에 압력을 주는 복수의 상기 스프링을 포함하고, 상기 제2 프레임의 내측면과 가압 플레이트의 외측면에는, 상기 스프링이 삽입 설치되는 스프링홈이 면 중심을 기준으로 대칭되게 형성되어 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 조립체는 다수의 스프링을 활용하여 PEMFC 등 연료전지의 조립압력을 지속적으로 유지할 수 있게 해줌으로써, 분리판의 고분자이온교환막의 접촉면적이 유지되도록 하며 엔드 플레이트의 유체 유출 방지 성능을 지속적으로 유지시킬 수 있다.

이에 따라 스택의 내구성을 상승시킬 수 있으며, 전력생산이 오래 유지되도록 하여 출력안정성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택 조립체를 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 연료전지 스택 조립체를 도시한 분리 사시도.
도 3은 도 1의 연료전지 스택 조립체를 도시한 분리 배면 사시도.
도 4는 도 1의 연료전지 스택 조립체를 도시한 측단면도.
도 5a는 도 1의 연료전지 스택 조립체의 제2 프레임이 제3 프레임부에 결합되기 전 모습을 나타낸 투영사시도.
도 5b는 도 1의 연료전지 스택 조립체의 제2 프레임이 볼트를 통해 제3 프레임부에 결합된 모습을 나타낸 투영사시도.
도 6은 도 1의 스택을 도시한 사시도.
도 7은 도 6의 스택을 도시한 분리 사시도.
도 8은 도 7의 지그 플레이트를 도시한 전면도.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택 조립체의 스택에 보조부재가 설치된 모습을 도시한 배면 사시도.
도 10a 내지 도 10c는 도 9의 보조부재의 설치를 순차적으로 도시한 예시도.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택 조립체의 스택에 정렬보조부가 형성된 모습을 도시한 사시도.
도 12는 도 11의 측면도.
도 13a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택 조립체의 제2 프레임이 제3 프레임부에 결합되기 전 모습을 나타낸 투영사시도.
도 13b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택 조립체의 제2 프레임이 결합돌기에 의해 제3 프레임부에 결합된 모습을 나타낸 투영사시도.

이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도 1 내지 도 13b을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택 조립체를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 연료전지 스택 조립체를 도시한 분리 사시도이고, 도 3은 도 1의 연료전지 스택 조립체를 도시한 분리 배면 사시도이고, 도 4는 도 1의 연료전지 스택 조립체를 도시한 측단면도이고, 도 5a는 도 1의 연료전지 스택 조립체의 제2 프레임이 제3 프레임부에 결합되기 전 모습을 나타낸 투영사시도이고, 도 5b는 도 1의 연료전지 스택 조립체의 제2 프레임이 볼트를 통해 제3 프레임부에 결합된 모습을 나타낸 투영사시도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택 조립체(1)는 스택(stack, 10), 전극 플레이트(20a,20b), 전극리드(30a,30b), 제1 프레임부(40), 제2 프레임부(50) 및 제3 프레임부(60)를 포함할 수 있다.

여기서 연료전지란 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)로 작동온도가 평균 80℃인 저온 연료전지로서, 기본적으로 산소와 수소로 작동하며, 이산화물을 함유한, 수소가 풍부한 개질 기체와 공기 중의 산소를 이용하여 작동시킬 수도 있다. 이에 한정되지는 않는다.

전기를 생산하는 스택(10)에 대해서는 하기에서 보다 자세하게 설명하기로 한다.

전극 플레이트(20a,20b)는 판 형태로 형성되고, 스택(10)의 전후면에 각각 부착되어 스택(10)에서 생산되는 전기를 전극리드(30a,30b)를 통해 부하로 전달할 수 있다.

전극 플레이트(20a,20b)는 양극 플레이트(20a)와 음극 플레이트(20b)로 이루어질 수 있으며, 스택(10)의 전면에 음극 플레이트(20b), 후면에 양극 플레이트(20a)가 부착될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

전극리드(30a,30b)는 각 전극 플레이트(20a,20b)에서 연장되어 연료전지 스택 조립체(1) 외부로 노출되게 설치됨에 따라 부하와 연결이 가능하도록 할 수 있다. 연결된 부하에 생산된 전기를 전달할 수 있다.

제1 프레임부(40)는 스택(10)의 후면측으로 전극 플레이트(20a,20b)의 외측면과 접하도록 설치될 수 있으며, 제1 프레임(41) 및 제1 엔드 플레이트(42)를 포함할 수 있다.

제1 프레임(41)은 판 형상으로 형성되어 제3 프레임부(60)와 결합됨에 따라 제1 프레임(41)과의 이격 간격이 고정될 수 있다. 이러한 제1 프레임(41)은 연료전지 스택 조립체(1)의 외함부의 후면으로 구성될 수 있다.

제1 프레임(41)은 제3 프레임부(60)와의 결합을 위해 둘레를 따라 적어도 하나 이상의 볼트홈이 형성될 수 있다. 그러나 제1 프레임(41)과 제3 프레임부(60)의 결합 방식은 볼트 결합에 한정되지 않으며, 결합 방식에 따라 형태가 다양하게 변형될 수 있다.

또한 제1 프레임(41)은 제1 엔드 플레이트(42)와의 결합을 위해 결착홀을 더 포함할 수 있다.

제1 엔드 플레이트(42)는 스택(10) 후면에 부착된 전극 플레이트(20a,20b)와 접하도록 설치되어, 스택(10)으로부터 생성된 전기가 전극 플레이트(20a,20b) 이외로 흐르는 것을 차단할 수 있다.

이를 위해 제1 엔드 플레이트(42)는 내측면에 전극홈이 형성되어 있어 전극 플레이트(20a,20b)가 전극홈에 삽입됨에 따라 스택(10)과 접하고 있는 면을 제외한 전극 플레이트(20a,20b)의 나머지 부분을 감싸도록 결합되어, 제1 엔드 플레이트(42)와 전극 플레이트(20a,20b)의 결합 기밀성이 향상될 수 있다.

또한 제1 엔드 플레이트(42)는 제1 프레임(41)의 결착홀에 삽입되어 결합되는 결착돌기를 포함할 수 있다.

제2 프레임부(50)는 스택(10)의 전면측으로 전극 플레이트(20a,20b)의 외측면과 접하도록 설치되되, 스프링(54)이 구비되어 스택(10)을 가압할 수 있다.

제2 프레임부(50)는 스프링(54)을 통해 스택(10)을 가압함에 따라, 연료전지 스택 조립체(1)의 조립압력을 지속적으로 유지할 수 있게 해줄 수 있다. 이에 분리판의 고분자이온교환막의 접촉면적이 유지되도록 하며 제1 및 제2 엔드 플레이트(42,52)의 유체 유출 방지 성능이 지속적으로 유지되도록 할 수 있는 것이다. 이를 통해 스택(10)의 내구성을 상승시킬 수 있으며, 전력생산이 오래 유지되도록 하여 출력안정성을 확보하도록 할 수 있다.

구체적으로, 제2 프레임부(50)는 제2 프레임(51), 제2 엔드 플레이트(52), 가압 플레이트(53) 및 스프링(54)을 포함할 수 있다.

제2 프레임(51)은 판 형상으로 형성되어, 제3 프레임부(60)와 결합됨에 따라 제1 프레임(41)과의 이격 간격이 고정될 수 있다. 이때 제2 프레임(51)은 제3 프레임부(60)와 결합되어 고정됨에 따라 스프링(54)을 압착시켜, 스프링(54)에 의해 스택(10)이 압력을 받도록 할 수 있다.

이러한 제2 프레임(51)은 연료전지 스택 조립체(1)의 외함부의 전면으로 구성될 수 있다.

또한 제2 프레임(51)은 스프링홈(510) 및 볼트홈을 포함할 수 있다.

스프링홈(510)은 제2 프레임(51)의 내측면에 적어도 하나 이상이 형성될 수 있으며, 복수개가 형성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지는 않는다.

또한 스프링홈(510)은 복수개가 형성될 시 제2 프레임(51)의 내측면 중심을 기준으로 대칭되게 형성되어, 각 스프링홈(510)에 스프링(54)이 설치 됨에 따라 스프링 압력이 가압 플레이트(53)의 면에 고르게 전달되도록 할 수 있다.

볼트홈은 제2 프레임(51)의 둘레를 따라 적어도 하나 이상이 형성되어, 제3 프레임부(60)와 볼트에 의해 고정되도록 할 수 있다. 그러나 제2 프레임(51)과 제3 프레임부(60)의 결합 방식은 볼트 결합에 한정되지 않으며, 결합 방식에 따라 형태가 다양하게 변형될 수 있다.

제2 엔드 플레이트(52)는 스택(10) 전면에 부착된 전극 플레이트(20a,20b)와 접하도록 설치되어, 스택(10)으로부터 생성된 전기가 전극 플레이트(20a,20b) 이외로 흐르는 것을 차단할 수 있다.

제2 엔드 플레이트(52) 또한 내측면에 전극홈이 형성되어 있어 전극 플레이트(20a,20b)가 전극홈에 삽입됨에 따라 스택(10)과 접하고 있는 면을 제외한 전극 플레이트(20a,20b)의 나머지 부분을 감싸도록 결합될 수 있다. 이에 제2 엔드 플레이트(52)와 전극 플레이트(20a,20b)의 결합 기밀성이 향상될 수 있으며, 전기 차단 기능이 바람직하게 나타날 수 있다.

가압 플레이트(53)는 판 형태로 형성되어 외측면에 스프링(54)이 연결되어, 스프링(54)으로부터 압력을 받아 내측면 측에 위치하여 접촉되는 제2 엔드 플레이트(52)를 가압할 수 있다. 이에 전극 플레이트(20a,20b)와 스택(10)에 압력이 전달되도록 한다.

또한 가압 플레이트(53)는 스프링홈(530)을 포함할 수 있다.

가압 플레이트(53)의 스프링홈(530)은 가압 플레이트(53)의 외측면에 적어도 하나 이상이 형성될 수 있으며, 복수개가 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

스프링홈(530)이 복수개가 형성될 시, 가압 플레이트(53)의 외측면 중심을 기준으로 대칭되게 형성되어, 각 스프링홈(530)에 스프링(54)이 삽입될 수 있다.

스프링(54)은 제2 프레임(51)과 가압 플레이트(53) 사이에 적어도 하나 이상이 설치되고, 제2 프레임(51)에 의해 압착되어 가압 플레이트(53)에 압력을 줄 수 있는데, 복수개가 설치되는 것이 보다 바람직할 수 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 가압 플레이트(53)의 면에 고르게 압력을 전달할 수 있도록 복수개의 스프링(54)이 가압 플레이트(53)의 내측면 면적 전체에 배치되는 것이 바람직하다.

또한 스프링(54)은 제2 프레임(51)에는 고정되고, 가압 플레이트(53)와는 접하나 고정되어 있지 않는 것이 바람직하나, 이에 한정되지는 않는다.

이와 같이 구성된 제2 프레임부(50)를 통해 스택(10)에 압력을 가할 수 있는데, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제3 프레임부(60)에 제2 프레임(51)을 결합하기 위해 제2 프레임(51)을 가압하여 볼트(V)에 의해 제3 프레임부(60)에 결합시킴에 따라, 스프링(54)이 압착되어 가압 플레이트(53), 제2 엔드 플레이트(52)에 스프링 압력이 전달되고, 최종적으로 전극 플레이트(20a,20b)와 스택(10)이 압력을 받아 내구성이 향상될 수 있다.

제3 프레임부(60)는 제1 프레임부(40)와 제2 프레임부(50)의 이격 간격을 고정시킬 수 있는데, 제1 프레임부(40)와 제2 프레임부(50)에 결합되어 연료전지 스택 조립체(1)의 외함부의 상하좌우면으로 구성되어, 스택(10) 등 연료전지 스택 조립체(1)의 내부 구성들을 보호할 수 있다.

이러한 제3 프레임부(60)는 상하면프레임(61) 및 측면프레임(62)을 포함할 수 있다.

상하면프레임(61)은 제1 프레임(41)과 제2 프레임(51)의 상하면 측으로 각각 결합될 수 있으며, 볼트에 의해 제1 프레임(41)과 제2 프레임(51)과 결합될 수 있도록 볼트홀을 포함할 수 있다.

측면프레임(62)은 제2 프레임(51)과 제2 프레임(51)의 측면 측으로 결합될 수 있으며, 볼트에 의해 제1 프레임(41)과 제2 프레임(51)과 결합될 수 있도록 볼트홀을 포함할 수 있다.

한편, 스택(10)에 대해서 도 6 내지 도 12를 이용하여 자세하게 설명하도록 한다.

도 6은 도 1의 스택을 도시한 사시도이고, 도 7은 도 6의 스택을 도시한 분리 사시도이고, 도 8은 도 7의 지그 플레이트를 도시한 전면도이고, 도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택 조립체의 스택에 보조부재가 설치된 모습을 도시한 배면 사시도이고, 도 10a 내지 도 10c는 도 9의 보조부재의 설치를 순차적으로 도시한 예시도이고, 도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택 조립체의 스택에 정렬보조부가 형성된 모습을 도시한 사시도이며, 도 12는 도 11의 측면도이다.

스택(10)은 복수의 전지 셀(11)을 직렬로 연결하여 일체로 구성된 것으로, 전지 셀(11)을 포함하고, 복수의 전지 셀(11)의 정렬을 위한 지그 플레이트(12) 및 지지봉(13)을 더 포함할 수 있다.

여기서 전지 셀(11)은 양극판, 냉각수 가스켓, MEA(Membrane-Electrode-Assembly, 박막-전극-어셈블리), 분리판, 등을 포함하고, 상기 MEA는 가스확산층(GDL, Gas Diffusion Layer), 촉매층, PEM (Proton Exchange Membrane), 촉매층, 가스확산층으로 구성될 수 있다. 이러한 전지 셀(11)에 대해서는 이미 널리 공지된 기술이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에서 전지 셀(11)은 지지봉(13)이 통과할 수 있는 관통홀(110)이 형성되어 있어, 지지봉(13)에 의해 복수의 전지 셀(11)이 일체로 연결되어, 한 쌍의 지그 플레이트(12) 사이에 정렬될 수 있다.

지그 플레이트(12)는 복수의 전지 셀(11)을 직렬로 용이하게 적층시킬 수 있도록 하는 것으로, 한 쌍으로 이루어질 수 있으며, 일정 두께를 가지는 판 형상으로 형성되고, 일면에 전지 셀(11)의 형상에 대응되는 형태로 형성되어 전지 셀(11)을 수용할 수 있는 적층홈(126)이 형성될 수 있다.

또한 지그 플레이트(12)는 봉홀(120)을 포함할 수 있다.

봉홀(120)은 지그 플레이트(12) 중심을 기준으로 대칭되게 형성되어 지지봉(13)이 삽입될 수 있다. 이때, 봉홀(120)은 도 8에 도시된 바와 같이, 지그 플레이트(12) 중심을 기준으로 사선으로 대칭되는 위치에 배치되게 형성될 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다.

한편, 한 쌍의 지그 플레이트(12) 중 하나의 지그 플레이트(12)의 봉홀(120)은 홈의 형태로 대체되고, 나머지 하나의 지그 플레이트(12)의 봉홀(120)만 홀 형태로 형성될 수도 있는데, 이는 지지봉(13)이 지그 플레이트(12)를 관통하여 스택(10)의 결합이 흐트러지는 것을 방지하도록 하기 위한 것이다.

또한 지그 플레이트(12)는 공기출입홀(121), 연료출입홀(122) 및 냉각수출입홀(123)을 더 포함할 수 있다. 이는 전지 셀(11)에서 전기를 생성하기 위해서는 공기, 연료, 냉각수 등을 필요로 하기 때문에, 이를 공급하는 공기유로, 연료유로, 냉각수유로 등을 설치하기 위해 형성된 구성들이라고 할 수 있다.

공기출입홀(121)은 지그 플레이트(12)에 형성되어, 전지 셀(11)에 공기 공급이 이루어질 수 있도록 공기를 공급하는 공기유로가 설치될 수 있다. 공기출입홀(121)은 공기유입홀, 공기배출홀로 구성될 수 있다.

연료출입홀(122)은 지그 플레이트(12)에 형성되어 전지 셀(11)에 연료(수소) 공급이 이루어지도록 연료를 공급하는 연료유로가 설치될 수 있으며, 연료유입홀, 연료배출홀로 구성될 수 있다.

냉각수출입홀(123)은 지그 플레이트(12)에 형성되어 전지 셀(11)에 냉각수 공급이 이루어지도록 냉각수를 공급하는 냉각수유로가 설치될 수 있으며, 냉각수유입홀, 냉각수배출홀로 구성될 수 있다.

지지봉(13)은 얇은 봉 형태로 형성되어 한 쌍의 지그 플레이트(12)의 봉홀(120)에 삽입되어, 한 쌍의 지그 플레이트(12)를 연결할 수 있다.

또한 지지봉(13)은 전지 셀(11)이 통과되어 한 쌍의 지그 플레이트(12) 사이에 적층되도록 하며, 전지 셀(11)의 위치를 고정하여 복수의 전지 셀(11)이 정렬되도록 할 수 있다.

또한 지지봉(13)의 길이는 지그 플레이트(12)의 두께와 일체로 연결된 복수의 전지 셀(11)의 두께를 합한 두께와 동일하거나 그 보다 짧게 형성되는 것이 바람직한데, 이는 스택(10)이 제2 프레임부(50)에 의해 가압될 시 지지봉(13)이 전극 플레이트(20a,20b)와 접하게 되는 것을 방지하기 위한 것이다.

도 9를 참조하면, 스택(10)은 보조부재(14)를 더 포함하고, 지그 플레이트(12)는 보조부재설치홀(124) 및 보조부재고정홈(125)을 더 포함할 수 있다.

보조부재(14)의 설명의 편의를 위해, 보조부재설치홀(124)과 보조부재고정홈(125)에 대해 먼저 설명하고자 한다.

보조부재설치홀(124)은 지그 플레이트(12)에 전후면으로 관통되게 형성되되, 각 둘레면을 따라 길이를 가지도록 형성될 수 있다. 이에 한 쌍의 지그 플레이트(12)의 보조부재설치홀(124)에 하나의 보조부재(14)가 통과하여 설치될 수 있다.

또한 보조부재설치홀(124)은 상면에 길이방향을 따라 일정간격 이격되게 형성된 보조부재안착홈(124a)을 포함할 수 있다. 이때, 보조부재안착홈(124a)은 보조부재고정홈(125)과 대응되는 위치에 형성될 수 있다.

보조부재고정홈(125)은 지그 플레이트(12)의 각 둘레면에 길이방향을 따라 일정간격 이격되어 형성될 수 있다. 또한 보조부재고정홈(125)은 외측으로 개구되어 있음에 따라, 도 9에 도시된 바와 같이, 보조부재설치홀(124)을 통과하여 꺾인 보조부재(14)가 안착되어 고정될 수 있다.

보조부재(14)는 한 쌍의 지그 플레이트(12) 사이에 하나 이상이 설치되어, 사이에 복수의 전지 셀(11)이 적층되어 있는 한 쌍의 지그 플레이트(12)를 고정시키며, 전지 셀(11)과 접하여 방열 효과를 나타낼 수 있다.

이를 위해, 보조부재(14)는 유연성이 있되 방열 효과를 나타낼 수 있는 알루미늄 등으로 형성될 수 있다.

또한 보조부재(14)는 바 형상으로 형성된 보조부재몸체(140) 및 보조부재몸체(140)의 일단에 형성되어 보조부재설치홀(124)에서 이탈을 방지하는 부재고정부(141)를 포함할 수 있다.

부재고정부(141)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 보조부재설치홀(124)을 통과하지 못하도록 보조부재설치홀(124) 보다 크게 형성되어, 보조부재(14)를 보조부재설치홀(124)에 통과시킬 시 부재고정부(141)에 의해 더 이상 이동되지 않고 일단의 위치가 고정되도록 할 수 있다.

도 10a 내지 도 10c를 참조하여, 보조부재(14)의 작동에 대해 구체적으로 설명하고자 한다.

먼저, 도 10a는 보조부재(14)가 지그 플레이트(12)에 설치되기 전 상태이다.

도 10b는 후측의 지그 플레이트(12)에 보조부재몸체(140)를 후측에서 전측방향으로 삽입한 상태로, 도 9와 같이 부재고정부(141)가 보조부재설치홀(124)을 통과하지 못하고 고정될 수 있다.

마지막으로, 도 10c과 같이 유연성을 가지는 보조부재(14)는 보조부재설치홀(124)을 통과한 후 타단 측을 지그 플레이트(12)에 맞춰 상측으로 굴곡시켜 보조부재고정홈(125)에 안착 시킴에 따라 고정될 수 있다. 이에 한 쌍의 지그 플레이트(12)를 연결시키며 고정시킬 수 있다.

이때, 보조부재(14)를 보조부재안착홈(124a)에 먼저 안착시키고 보조부재(14)를 굴곡시켜 보조부재고정홈(125)에 고정시킴으로써, 보조부재(14)의 흔들림을 방지하여 고정력을 보다 향상시킬 수 있다.

이와 같이 하나 이상의 보조부재(14)를 설치함에 따라 스택(10)의 결합성을 높일 수 있으며, 전지 셀(11)을 효과적을 냉각시킬 수 있다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 스택(10)은 정렬보조부(15)를 더 포함할 수 있다.

정렬보조부(15)는 한 쌍의 지그 플레이트(12) 사이에 설치되어 복수의 전지 셀(11)을 정렬시킬 수 있다.

구체적으로, 정렬보조부(15)는 이동홀(150) 및 정렬부(151)를 포함할 수 있다.

이동홀(150)은 지그 플레이트(12)에 전후면으로 관통되게 형성되되, 각 둘레면을 따라 길이를 가지도록 형성될 수 있다. 이에 정렬부(151)가 이동홀(150)을 따라 이동할 수 있어, 복수의 전지 셀(11)의 면을 정렬시킬 수 있다.

정렬부(151)는 한 쌍의 지그 플레이트(12)의 이동홀(150)에 설치되어, 전지 셀(11)과 접하면서 이동홀(150)을 따라 이동하여 복수의 전지 셀(11)을 정렬시킬 수 있다.

이러한 정렬부(151)는 이동바(151a), 정렬판(151b) 및 탄성부재(151c)를 포함할 수 있다.

이동바(151a)는 바 형상으로 형성되어 한 쌍의 지그 플레이트(12)에서 대칭되는 이동홀(150)에 일단과 타단이 각각 삽입되어 이동홀(150)을 따라 이동할 수 있다.

정렬판(151b)은 정후방향으로 길이를 가지는 판 형태로 형성되어, 전지 셀(11)과 접하여 정렬시킬 수 있다.

탄성부재(151c)는 이동바(151a)와 정렬판(151b) 사이에 형성되어, 정렬판(151b)에 탄성을 부여하는 것으로, 정렬판(151b)이 전지 셀에 압력을 가할 수 있도록 한다.

이와 같이 구성된 정렬보조부(15)를 통해 복수의 전지 셀(11)을 보다 가지런히 정렬시킬 수 있다.

도 13a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택 조립체의 제2 프레임이 제3 프레임부에 결합되기 전 모습을 나타낸 투영사시도이며, 도 13b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택 조립체의 제2 프레임이 결합돌기에 의해 제3 프레임부에 결합된 모습을 나타낸 투영사시도이다.

도 13a 및 도 13b를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택 조립체(1)의 제2 프레임(51)은 결합돌기(511)를 포함하고, 제3 프레임부(60)의 상하면프레임(61), 측면프레임(62)은 결합홀(610,620)을 포함할 수 있다.

여기서, 제2 프레임(51)의 볼트홈 대신에 결합돌기(511)가 형성되고, 상하면프레임(61), 측면프레임(62)에 결합홀(610,620)이 형성된 것을 제외하고, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택 조립체(1)는 상기에서 설명한 본 발명의 제1 실시예와 실질적으로 동일하다고 할 수 있다.

따라서, 결합돌기(511) 및 결합홀(610,620)에 대해서만 자세하게 설명하기로 한다.

결합돌기(511)는 제2 프레임(51) 둘레를 따라 이격되게 형성되어, 제3 프레임부(60)와의 결합을 위해 제2 프레임(51)이 내측으로 가압됨에 따라, 제3 프레임부(60)의 결합홀(610,620)에 삽입 고정될 수 있다.

이러한 결합돌기(511)는 제2 프레임(51)의 둘레를 따라 각 면에 적어도 하나 이상이 형성되는 것이 바람직하며, 외측면에서 내측면으로 하향 경사지게 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

이에 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이, 제2 프레임(51)을 가압하는 것만으로 제3 프레임부(60)와 제2 프레임(51)을 결합시킬 수 있어, 조립성이 향상될 수 있다.

결합홀(610,620)은 상하면프레임(61), 측면프레임(62) 전측에 형성되어, 결합돌기(511)가 삽입될 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 조립체는 다수의 스프링을 활용하여 PEMFC 등 연료전지의 조립압력을 지속적으로 유지할 수 있게 해줌으로써, 분리판의 고분자이온교환막의 접촉면적이 유지되도록 하며 엔드 플레이트의 유체 유출 방지 성능을 지속적으로 유지시킬 수 있다.

이에 따라 스택의 내구성을 상승시킬 수 있으며, 전력생산이 오래 유지되도록 하여 출력안정성을 확보할 수 있다.

상기에서 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 조립체를 제1 및 제2 실시예로 나누어서 설명하였으나, 이는 설명의 편의성 및 이해가 쉽도록 하기 위해 실시예를 나눠 설명한 것으로, 각 실시예에 한정되는 것이 아니며, 실시예의 구성은 설계 변경하여 서로 적용될 수 있다.

이상으로 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.

1: 연료전지 스택 조립체
10: 스택
11: 전지 셀
110: 관통홀
12: 지그 플레이트
120: 봉홀
121: 공기출입홀
122: 연료출입홀
123: 냉각수출입홀
124: 보조부재설치홀
124a: 보조부재안착홈
125: 보조부재고정홈
126: 적층홈
13: 지지봉
14: 보조부재
140: 보조부재몸체
141: 부재고정부
15: 정렬보조부
150: 이동홀
151: 정렬부
151a: 이동바
151b: 정렬판
151c: 탄성부재
20a, 20b: 전극 플레이트
30a, 30b: 전극리드
40: 제1 프레임부
41: 제1 프레임
42: 제1 엔드 플레이트
50: 제2 프레임부
51: 제2 프레임
510: 스프링홈
511: 결합돌기
52: 제2 엔드 플레이트
53: 가압 플레이트
530: 스프링홈
54: 스프링
60: 제3 프레임부
61: 상하면프레임
610: 결합홀
62: 측면프레임
620: 결합홀

Claims (1)

1. 스택(stack);
   상기 스택의 전후면에 각각 부착되어 전류를 전달하는 전극 플레이트;
   상기 전극 플레이트에 연결되어 외부로 노출되는 전극리드;
   상기 스택의 후면측으로 상기 전극 플레이트의 외측면과 접하도록 설치되는 제1 프레임부;
   상기 스택의 전면측으로 상기 전극 플레이트의 외측면과 접하도록 설치되되, 스프링이 구비되어 상기 스택을 가압하는 제2 프레임부 및
   상기 제1 및 제2 프레임부의 이격 간격을 고정시키는 제3 프레임부를 포함하고,
   상기 스택은,
   한 쌍의 관통홀이 형성되며, 적층되는 복수의 전지 셀;
   판 형상으로 형성되어 상기 전지 셀 전후 양편에 배치되되, 일면에 상기 전지 셀이 안착되도록 형성된 적층홈 및 상기 관통홀과 대응되는 위치에 형성된 봉홀을 포함하는 한 쌍의 지그 플레이트;
   상기 관통홀을 관통하고, 상기 봉홀에 삽입되어 상기 지그 플레이트에 설치되는 지지봉을 포함하고,
   상기 스택은,
   상기 한 쌍의 지그 플레이트 사이에 설치되고, 상기 한 쌍의 지그 플레이트 사이 간격을 고정하며 상기 전지 셀과 접하여 방열 효과를 나타내는 하나 이상의 보조부재를 더 포함하고,
   상기 지그 플레이트는,
   전후면으로 관통되게 형성되되, 각 둘레면을 따라 길이를 가지도록 형성되어 상기 보조부재가 통과하여 설치되는 보조부재설치홀 및
   상기 각 둘레면에 길이방향을 따라 이격되어 형성되고, 상기 보조부재설치홀을 통과하여 꺾인 상기 보조부재가 안착되어 고정되는 보조부재고정홈을 더 포함하고,
   상기 제2 프레임부는,
   판 형상으로 형성되어 상기 제3 프레임부와 결합되는 제2 프레임;
   상기 전극 플레이트와 접하도록 설치되어, 상기 스택으로부터 생성된 전기가 상기 전극 플레이트 이외로 흐르는 것을 차단하는 제2 엔드 플레이트;
   상기 제2 엔드 플레이트를 가압하는 가압 플레이트 및
   상기 제2 프레임과 가압 플레이트 사이에 설치되어 상기 가압 플레이트에 압력을 주는 복수의 상기 스프링을 포함하고,
   상기 제2 프레임의 내측면과 가압 플레이트의 외측면에는,
   상기 스프링이 삽입 설치되는 스프링홈이 면 중심을 기준으로 대칭되게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 조립체.