KR100783842B1

KR100783842B1 - 연료전지 스택의 체결 구조

Info

Publication number: KR100783842B1
Application number: KR1020060123593A
Authority: KR
Inventors: 방인완; 문희욱
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2007-12-10

Abstract

본 발명은 굽힘 강성을 증대한 체결밴드 플레이트와 탄성을 갖는 스페이서를 사용하여 체결력을 균일하게 유지하고 리크 발생을 방지할 수 있는 연료전지 스택의 체결 구조에 관한 것으로서, 이를 위하여 스택의 양측에 엔드 플레이트를 덧대어 체결밴드 플레이트와 스페이서를 이용하여 체결한 단위 스택 모듈의 체결 구조에 있어서,

상기 체결밴드 플레이트는 그 지지부가 스택의 상하면에 길이 방향을 따라 밀착되고, 그 체결부는 상기 지지부의 양단이 굴곡되어 형성되며 굽힘 방지를 위해 굽힘 강성을 증대하여 형성하고;

엔드 플레이트와 체결밴드 플레이트 사이에 스페이서를 삽입하여 체결한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결 구조를 제공한다.

연료전지, 스택, 체결밴드, 스페이서, 공용모듈

Description

연료전지 스택의 체결 구조{ASSEMBLING STRUCTURE OF ELECTROCHEMICAL FUEL CELL STACK}

도 1은 본 발명에 따른 단위 스택 모듈의 체결 구조를 나타내는 분해 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 단위 스택 모듈의 체결 구조를 나타내는 결합 사시도,

도 3은 도 2의 요부를 나타내는 사시도와 A-A면을 취하여 도시한 단면도,

도 4a는 본 발명에 따른 체결밴드 플레이트의 사시도,

도 4b는 본 발명에 따른 스페이서의 사시도,

도 5는 본 발명에 따른 대용량 스택의 체결 구조를 도시한 개략적인 결합 사시도,

도 6은 도 5의 요부를 도시한 개략적인 측면도,

도 7은 종래 연료전지 스택의 체결 구조의 요부를 도시한 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 체결밴드 플레이트 11, 41 : 체결부

12 : 지지부 15 : 필렛부

20 : 스페이서 30 : 스택

33 : 셀 40 : 엔드 플레이트

50 : 공용모듈

본 발명은 연료전지 스택의 체결 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 굽힘 강성을 증대한 체결밴드 플레이트(10)와 탄성을 갖는 스페이서(20)를 사용하여 체결력을 균일하게 유지하고 리크 발생을 방지할 수 있는 연료전지 스택의 체결 구조에 관한 것이다.

이산화탄소 발생으로 인한 지구 온난화 현상 등 여러 가지 환경오염 문제 해결을 위해 화석연료를 대신할 청정에너지원으로서, 태양광, 태양열 에너지, 바이오 에너지, 풍력 에너지, 수소 에너지에 대한 관심이 집중되고 있으며, 그중 수소를 연료로 사용하는 연료전지 분야도 급속한 연구가 진행되고 있다.

연료전지의 기본 구조는 다공성 구조의 전극, 그리고 양극과 음극 사이에 위치하며 이온 전도성을 갖는 전해질로 이루어져 있고, 기체 상의 연료는 음극에 공급되고 산소를 함유하는 기체는 양극에 공급되며, 반응기체와 전해질, 고체인 촉매가 공존하는 삼상계면 영역에서 전기화학적 반응으로 발생한 전자가 외부회로를 통해 흐르는 원리로 발전을 하게 된다.

연료전지 원리를 다시 설명하면, 물을 전기분해하면 전극에서 산소와 수소가 발생하는데, 연료전지는 물의 전기분해 역반응을 이용하는 것으로 수소와 산소로부터 전기와 물을 만들어 내는 것이다.

연료전지는 일반 화학전지(예, 건전지, 축전지 등)와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있으므로, 공기만 있으면 무한히 사용할 수 있는 에너지란 뜻이 된다.

대개, 연료전지에서 전기를 일으키는 하나의 기본체를 셀(cell)이라고 한다.

연료극과 공기극에 각각 수소와 공기(산소)가 공급되어 전해질과 반응하여 이온을 형성하고, 이렇게 생성된 이온이 전기화학반응을 일으켜 물을 형성하는 과정에서 연료극에 전자가 생성되어 공기극으로 이동하면서 결국 전기를 발생시킨다.

한 개의 셀(cell)에서 전기가 발생하지만, 이 전기의 양은 우리가 실생활에 사용하기에는 매우 적은 양이다.

이에, 상기 셀(cell)들을 여러 개 포개서 많은 양의 전기에너지로 사용하게 되는데, 여러 개의 셀(cell)들을 모아 놓은 것을 스택(Stack)이라고 한다.

한편, 차량에서도 기존 내연기관을 대체할 수 있는 연료전지에 대한 연구들이 있어 왔으며, 특히 차량용인 경우 전지 자체가 이동하기 때문에 강한 스택의 체결 구조가 요구되고 있다.

차량에 이용되는 종래의 체결 구조를 첨부한 도 7을 참조로 설명하면 다음과 같다.

종래의 스택 모듈은 연료 전지 셀을 사이에 두고 양측에 집전판과 절연판 및 엔드 플레이트(4)가 덧대어지게 한 다음, 단일경로로 감싸는 체결밴드 플레이트(1)가 묶어준 구조로 되어 있다.

또한, 상기 엔드 플레이트(4)와 집전판 및 절연판의 접합성을 유지하기 위해 엔드 플레이트(4)와 체결밴드 플레이트(1) 사이에 스페이서(2)를 삽입하여 균일한 하중을 가한다.

이때, 체결을 유지하기 위해 높은 볼트 하중을 가하게 되는데, 이로 인해 체결밴드 플레이트(1)의 소성 변형이 일어나게 되고, 상기 소성 변형이 일어난 상태에서 차량 운행시 그 진동으로 인해 스페이서(2)가 탈거될 수 있다.

또한, 소성 변형이 일어나게 되면 스택 모듈의 체결력이 약화되어 엔드 플레이트(4)와 스택 간의 접합성이 약화되고, 결국 연료전지의 출력밀도 저하를 초래하게 된다.

상기와 같은 체결구조로 이루어진 단위 스택 모듈은 그것을 여러 개 포개고 공용모듈(5)을 개재하여 대용량 스택으로 구성한다.

첨부한 도 6을 보면, 단위 스택 모듈과 공용모듈(5)은 엔드 플레이트(4)에 형성된 체결부에 볼트를 사용하여 체결된다.

대용량 스택 체결 구조에서, 공용모듈(5)과 엔드 플레이트(4)의 기밀성을 유지하기 위하여 볼트에 의존하게 되는데, 그 체결력이 엔드 플레이트(4)에 균일하게 전달 유지되지 못하고 접합성이 약화되어 상기 엔드 플레이트(4)에 굽힘 변형으로 인한 리크(leak)가 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 단위 스택 모듈과 대용량 스택의 체결 구조에 있어서, 종래 기술의 문제점인 필렛부의 소성변형과, 엔드 플레이트와 스택 간의 접합성 약화와 리크 발생을 방지 및 개선하도록 굽힘 강성을 증대한 체결밴드 플레이트와 탄성을 갖는 스페이서를 사용하여 균일한 체결력을 전달 유지하고 접합성을 지속하여 리크 발생을 방지할 수 있는 연료전지 스택의 체결 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 스택의 양측에 엔드 플레이트를 덧대어 체결밴드 플레이트와 스페이서를 이용하여 체결한 단위 스택 모듈의 체결 구조에 있어서,

상기 체결밴드 플레이트는 그 지지부가 스택의 상하면에 길이 방향을 따라 밀착되고, 그 체결부는 상기 지지부의 양단이 굴곡되어 형성되며 굽힘 방지를 위해 굽힘 강성을 증대하여 형성하고; 엔드 플레이트와 체결밴드 플레이트 사이에 스페이서를 삽입하여 체결한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결 구조를 제공한다.

바람직한 일실시예로서, 상기 체결부는 그 하면을 'ㄷ'형 단면으로 형성하여 굽힘 강성이 증대되도록 구성한 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 일실시예로서, 상기 스페이서는 그 측면이 'U'형 단면으로 이 루어진 플레이트 형상의 탄성 부재인 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 일실시예로서, 상기 스페이서는 판 스프링인 것을 특징으로 한다.

한편, 단위 스택 모듈을 여러 개 포개고 공용모듈을 개재하여 구성하는 대용량 스택의 체결 구조에 있어서,

엔드 플레이트의 상단과 하단에 체결부를 형성하고, 플레이트 형상의 탄성 부재인 스페이서를 상기 체결부와 볼트 사이에 삽입 체결하여, 엔드 플레이트에 균일한 체결력을 전달할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 한다.

바람직한 일실시예로서, 상기 스페이서는 그 측면이 'U'형 단면인 판 스프링으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 단위 스택 모듈의 체결 구조를 나타내는 분해 사시도이고, 도 3은 단위 스택 모듈의 요부를 나타내는 사시도와 A-A면을 취하여 도시한 단면도이다.

본 발명에 따른 연료전지 스택의 체결 구조는 스택(30)의 양측에 집전판(31)과 절연판(32)을 두고, 그 양측에 엔드 플레이트(40)를 덧대어 체결밴드 플레이트(10)와 스페이서(20)를 볼트(14)로 체결하여 구성한다.

상기 집전판(31)과 절연판(32)은 스택(30)의 양측면에 밀착되는 얇은 판재로서, 셀(33)의 면적과 동일한 면적을 갖는다.

상기 절연판(32)에 밀착되는 엔드 플레이트(40)는 얇은 판재로 된 부재로서, 상단과 하단에는 양쪽에 한 개씩 각각 두 개의 체결부(41)가 형성되어 있다.

상기 체결밴드 플레이트(10)는 소정의 길이를 갖는 띠 형상으로서, 그 지지부(12)는 스택 모듈 체결시 스택(30)의 상하면에 밀착되고, 그 체결부(11)는 상기 지지부(12)가 수직으로 굴곡되어 형성되며, 상기 체결부(11)의 중앙에 볼트홀(13)이 형성되고, 굽힘 강성이 증대되도록 상기 체결부의 하면(11a)을 'ㄷ'형 단면으로 형성하여 볼트(14)의 체결력에 의한 굽힘 하중을 상쇄할 수 있게 한다.

스페이서(20)는 그 측면(21)이 'U'형 단면으로 이루어진 플레이트 형상의 탄성 부재로서, 그 상면(22)에 볼트홀을 형성하고 체결밴드 플레이트(10)와 엔드 플레이트(40) 사이에 삽입되어 볼트로 체결된다.

상기와 같은 체결 구조를 갖는 단위 스택 모듈을 여러 개 포개고 공용모듈(50)을 개재하여 대용량 스택을 구성하게 된다.

첨부한 도 5와 도 6에서 보면, 대용량 스택은 공용모듈(50)을 개재하고 엔드 플레이트(40)를 체결하기 위하여 체결부(41)를 형성한다.

상기 체결부(41)는 엔드 플레이트(40)의 상부와 하부의 외측에 돌출되어 형성되고, 그 중앙에 볼트홀을 구비한다.

이때, 엔드 플레이트(40)와 볼트 사이에, 측면(21)이 'U'형 단면으로 이루어진 플레이트 형상의 탄성 부재인 스페이서(20)를 삽입하여 볼트의 체결력이 균일하게 전달되도록 한다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료전지 스택의 체결상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저 단위 스택 모듈의 체결상태를 살펴보면, 체결밴드 플레이트(10)의 체결부(11)의 'ㄷ'형 단면에 의해 굽힘 강성이 증대되어, 높은 볼트 하중으로 인한 필렛부(15)의 굽힘 하중이 상쇄되며, 이는 체결밴드 플레이트(10)의 소성 변형을 방지하여 상기 소성 변형으로 인한 스페이서(20)의 탈거 가능성이 제거된다.

스페이서(20)는 볼트의 체결력에 의하여 굽힘 하중을 받게 되는데, 그 상면(22)은 볼트와 체결밴드 플레이트(10)에 의해 구속되므로 상기 굽힘 하중은 그 하면(23)에 작용하게 되어 균일한 체결력을 전달하여 엔드 플레이트(40)와 스택(30) 간의 접합성이 지속된다.

대용량 스택은 볼트의 체결력에 의하여 스페이서(20)에 굽힘 하중이 가해지게 된다.

상기 굽힘 하중은 스페이서의 하면(23)과 엔드 플레이트(40)에 전달되며, 스페이서(20)의 탄성에 의하여 엔드 플레이트(40)에 균일한 체결력이 유지되고 굽힘이 방지되어, 엔드 플레이트(40)와 공용모듈(50) 간에 접합성이 지속되어 리크를 방지한다.

또한, 차량 운행시 진동에 의한 떨림을 스페이서(20)가 완충한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 체결 구조에서 굽힘 강성이 증대된 체결밴드 플레이트와 탄성을 지닌 스페이서는, 필렛부의 소성변형을 방지하고, 엔드 플레이트에 균일한 체결력을 전달하여 상기 엔드 플레이트와 단위 스택 모듈 및 공용모듈과의 접합성을 유지하고 리크 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

스택(30)의 양측에 엔드 플레이트(40)를 덧대어 체결밴드 플레이트(10)와 스페이서(20)를 이용하여 체결한 단위 스택 모듈의 체결 구조에 있어서,

상기 체결밴드 플레이트(10)는 그 지지부(12)가 스택(30)의 상하면에 길이 방향을 따라 밀착되고, 그 체결부(11)는 상기 지지부(12)의 양단이 굴곡되어 형성되며 굽힘 방지를 위해 굽힘 강성을 증대하여 형성하고;

엔드 플레이트(40)와 체결밴드 플레이트(10) 사이에 스페이서(20)를 삽입하여 체결한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결 구조.
청구항 1에 있어서, 상기 체결부(11)는 그 하면(11a)을 'ㄷ'형 단면으로 형성하여 굽힘 강성이 증대되도록 구성한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결 구조.
청구항 1에 있어서, 상기 스페이서(20)는 그 측면(21)이 'U'형 단면으로 이루어진 플레이트 형상의 탄성 부재인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결 구조.
청구항 3에 있어서, 상기 스페이서(20)는 판 스프링인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결 구조.
단위 스택 모듈을 여러 개 포개고 공용모듈(50)을 개재하여 구성하는 대용량 스택의 체결 구조에 있어서,

엔드 플레이트(40)의 상단과 하단에 체결부(41)를 형성하고, 플레이트 형상의 탄성 부재인 스페이서(20)를 상기 체결부(41)와 볼트 사이에 삽입 체결하여, 엔드 플레이트(40)에 균일한 체결력을 전달할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결 구조.
청구항 5에 있어서, 상기 스페이서(20)는 그 측면(21)이 'U'형 단면인 판 스프링으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결 구조.