KR101887704B1

KR101887704B1 - 연료전지 스택 체결장치

Info

Publication number: KR101887704B1
Application number: KR1020120146052A
Authority: KR
Inventors: 김정익
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2018-08-10
Also published as: KR20140077353A

Abstract

본 발명은 비교적 간단한 구성으로 저온에서도 연료전지 스택의 체결압 혹은 기밀이 확보되도록 열수축을 보상해줄 수 있도록 함으로써, 온도 변화에도 불구하고 항상 적절한 연료전지 스택의 체결력을 유지하여, 저온 성능 및 냉시동성을 포함한 안정된 연료전지 스택의 작동성 및 내구성을 확보할 수 있도록 한다.

Description

연료전지 스택 체결장치{FASTNING APPARATUS FOR FUEL CELL STACK}

본 발명은 연료전지 스택의 구조에 관한 기술로서, 보다 상세하게는 연료전지 스택의 단위 셀들을 적층 상태로 체결하는 장치에 관한 기술이다.

연료전지 스택은 연료전지 단위셀이 수백장 적층되어 이루어지며, 단위셀 간의 전기 전도도와 반응기체 및 냉각수의 기밀을 유지하기 위해 적절한 압력으로 체결되어야 한다. 이 때 체결압력이 지나치게 높으면 연료전지 내부의 반응기체 및 냉각수가 흘러가는 유로가 좁아져 연료전지 성능이 저하되며, 반대로 지나치게 낮으면 기밀성과 전기 전도도가 떨어지게 되어 역시 연료전지 성능이 저하된다.

연료전지의 일반적인 작동온도는 섭씨 65도~85도 사이이며, 따라서 연료전지를 구성하는 부품들은 시동 시 상온에서 작동온도까지의 온도 변화와 온도 변화에 수반되는 열팽창/수축을 피할 수 없다. 특히 동절기에는 온도 변화의 폭이 더욱 크며 이에 따른 스택 체결력의 변화도 커지게 된다.

앞서 기술한 대로 연료전지 스택의 성능과 내구성을 위해서, 스택의 체결압은 온도에 상관없이 적절한 수준을 유지해야 하나, 작동온도 (약 80C)와 겨울철 외기 (약 -20C)에서 재질의 열팽창/수축 차이로 인해 모든 온도 구간에서 체결압을 유지하기가 어렵다.

즉, 작동온도에서 적절한 체결압을 유지하도록 설계된 체결기구는, 저온에서는 연료전지 스택을 구성하는 물질(특히 가스켓)의 체결기구(스틸 밴드)보다 큰 열수축으로 인해 기밀이 확보되지 못하는 등의 문제를 야기한다.

도 1은 종래의 스택 체결구조에서 온도 변화에 따른 누설 발생의 문제점을 표현한 것으로서, 체결기구인 밴드(502)로 스택(500)의 적층 상태를 유지하면서 체결하고 있지만, 온도가 낮아지면, 밴드(502) 보다 스택(500)의 열 수축량이 커지면서 체결력이 저하되어 누설이 발생하는 것을 설명하고 있다.

상기의 발명의 배경이 되는 기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 비교적 간단한 구성으로 저온에서도 연료전지 스택의 체결압 혹은 기밀이 확보되도록 열수축을 보상해줄 수 있도록 함으로써, 온도 변화에도 불구하고 항상 적절한 연료전지 스택의 체결력을 유지하여, 저온 성능 및 냉시동성을 포함한 안정된 연료전지 스택의 작동성 및 내구성을 확보할 수 있도록 한 연료전지 스택 체결장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 연료전지 스택 체결장치는

스택의 적층방향 양단을 규제할 수 있도록 설치되는 체결부재와;

상기 체결부재와 스택 사이에 개재되어 온도의 저감에 따라 상기 스택의 적층방향을 따른 길이의 증가를 제공하여 상기 스택의 수축량을 보충할 수 있도록 설치된 온도저감신장수단;

을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래 기술에 의한 스택 체결구조의 문제점을 설명한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택 체결장치의 개념 및 작용 효과를 설명한 도면,
도 3 내지 도 5는 도 2의 온도저감신장수단의 예를 각각 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명 연료전지 스택 체결장치의 실시예는, 스택(1)의 적층방향 양단을 규제할 수 있도록 설치되는 체결부재(3)와; 상기 체결부재(3)와 스택(1) 사이에 개재되어 온도의 저감에 따라 상기 스택(1)의 적층방향을 따른 길이의 증가를 제공하여 상기 스택(1)의 수축량을 보충할 수 있도록 설치된 온도저감신장수단(5)을 포함하여 구성된다.

즉, 온도가 하강하여 스택(1)이 수축하는 만큼 상기 온도저감신장수단(5)의 길이가 증가하여 상기 체결부재(3)와 스택(1) 사이의 압력을 일정한 수준으로 유지할 수 있도록 함으로써, 연료전지 스택(1)의 체결압 및 기밀이 확보되도록 열수축이 보상되어, 연료전지 스택(1)의 저온 성능 및 냉시동성을 포함한 안정된 작동성 및 내구성을 확보할 수 있도록 하는 것이다.

상기 온도저감신장수단(5)은 온도가 하강함에 따라 부피가 팽창하는 NTE(Negative Thermal Expansion)물질과, 상기 NTE물질의 온도에 따른 부피 변화를 상기 체결부재(3)와 스택(1) 사이의 길이 변화로 제공할 수 있도록, 상기 NTE물질을 사이에 두고 서로 대응되게 배치되는 상호운동부재(9)를 포함하여 구성된다.

즉, 상기 NTE물질(7)은 통상의 물질과 반대로 온도가 하강함에 따라 오히려 부피가 증가하므로, 이러한 현상을 이용하여 상기 스택(1)의 체결력을 지속적으로 유지할 수 있도록 하는 것이다.

도 3의 실시예에서, 상기 NTE물질(7)은 물이고, 상기 상호운동부재(9)는 상기 물을 밀폐하면서, 상기 물의 부피 변화에 따라 상호간의 상대 위치가 변화하도록 설치된 피스톤(9-1)과 실린더(9-2)로 이루어진 구성이다.

이 실시예의 경우에는 특히 상기 물이 녹았을 때 물의 밀폐성이 유지될 수 있도록 상기 피스톤(9-1)과 실린더(9-2)를 구성해야 한다.

도 4는 다른 실시예로서, 상기 NTE물질(7)은 Cubic Zirconium Tungstate (ZrW₂O₈)이고, 상기 상호운동부재(9)는 상기 NTE물질(7)을 수용하는 실린더(9-2)와, 상기 실린더(9-2)에 대하여 직선 슬라이딩 운동할 수 있도록 설치되는 피스톤(9-1)으로 이루어진 구조로서, 상기 NTE물질(7)로 물을 사용한 경우와는 달리 누출의 염려는 없으므로, 상기 실린더(9-2)와 피스톤(9-1)은 밀폐성의 구현에 대한 제약이 없거나 적어질 수 있다.

도 5의 실시예에서, 상기 온도저감신장수단(5)은 온도가 하강함에 따라 상대적으로 열수축율이 작은 물질로 이루어진 다수의 제1링크(11)를 X자로 연결한 링크기구(13)와, 온도가 하강함에 따라 상대적으로 열수축율이 큰 물질로 이루어져 상기 링크기구(13)의 X자 양단을 연결하도록 설치된 제2링크(15)를 포함한 구성이다.

특히, 본 실시예에서, 상기 링크기구(13)의 X자는 스택(1)의 적층방향을 따라 연쇄적으로 연결되고, 상기 제2링크(15)는 상기 링크기구(13)의 연쇄적 연결 방향에 수직하게 연결되며; 상기 링크기구(13)의 연쇄적 연결 방향 양단에는 각각 상기 링크기구(13)의 길이변화를 상기 체결부재(3)와 스택(1)으로 전달하는 상호운동부재(9)가 구비된 구조이다.

따라서, 온도가 저하하면, 상기 제2링크(15)가 수축하는 길이에 비하여 상기 제1링크(11)가 수축하는 길이가 작아서, 결과적으로는 도 5의 좌측 상태로부터 우측 상태와 같이 링크기구(13)의 연쇄적 연결방향을 따라 길이가 길어지게 되어, 스택(1)의 수축량을 보상할 수 있게 되는 것이다.

물론, 상기 링크기구(13)는 상기한 바와 같이 X자를 이루는 2개의 제1링크(11)와 1개의 제2링크(15) 만으로도 상기한 바와 같은 온도저감에 따른 길이 증대의 효과를 얻을 수 있으며, 상기한 바와 같이 연쇄적으로 연결하여 구성할 수도 있다.

한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예를 설명한 것으로서, 스택(1)의 적층방향 양단을 규제할 수 있도록 설치되는 체결부재(3)와; 상기 체결부재(3)와 스택(1) 사이에 개재되어 제공되는 전기에 따라 상기 스택(1)의 적층방향을 따른 길이의 증가를 제공하여 상기 스택(1)의 수축량을 보충할 수 있도록 설치된 압전소자(17)를 포함하여 구성되는 것이다.

상기 압전소자(17)에는 상기 압전소자(17)의 길이 변화를 상기 체결부재(3)와 스택(1)으로 전달할 수 있도록 상호 이격되거나 접근될 수 있도록 상호운동부재(9)가 연결되고, 상기 압전소자(17)는 상기 상호운동부재(9)를 통해 전기를 공급받도록 구성되어 있다.

따라서, 온도 변화에 따라 컨트롤러 등이 상기 압전소자(17)로 제공되는 전기를 조절하여, 상기 압전소자(17)의 길이 변화가 상기 스택(1)의 온도에 따른 적층방향 길이 변화를 보상하도록 할 수 있으며, 이 경우 매우 정밀한 체결압력 유지가 가능할 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

1; 스택
3; 체결부재
5; 온도저감신장수단
7; NTE물질
9; 상호운동부재
9-1; 피스톤
9-2; 실린더
11; 제1링크
13; 링크기구
15; 제2링크
17; 압전소자

Claims

스택(1)의 적층방향 양단을 규제할 수 있도록 설치되는 체결부재(3)와;
상기 체결부재(3)와 스택(1) 사이에 개재되어 온도의 저감에 따라 상기 스택(1)의 적층방향을 따른 길이의 증가를 제공하여 상기 스택(1)의 수축량을 보충할 수 있도록 설치된 온도저감신장수단(5);을 포함하여 구성되고,
상기 온도저감신장수단(5)은
온도가 하강함에 따라 상대적으로 열수축율이 작은 물질로 이루어진 다수의 제1링크(11)를 X자로 연결한 링크기구(13)와;
온도가 하강함에 따라 상대적으로 열수축율이 큰 물질로 이루어져 상기 링크기구(13)의 X자 양단을 연결하도록 설치된 제2링크(15);
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
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청구항 1에 있어서,
상기 링크기구(13)의 X자는 스택(1)의 적층방향을 따라 연쇄적으로 연결되고;
상기 제2링크(15)는 상기 링크기구(13)의 연쇄적 연결 방향에 수직하게 연결되며;
상기 링크기구(13)의 연쇄적 연결 방향 양단에는 각각 상기 링크기구(13)의 길이변화를 상기 체결부재(3)와 스택(1)으로 전달하는 상호운동부재(9)가 구비된 것
을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
스택(1)의 적층방향 양단을 규제할 수 있도록 설치되는 체결부재(3)와;
상기 체결부재(3)와 스택(1) 사이에 개재되어 제공되는 전기에 따라 상기 스택(1)의 적층방향을 따른 길이의 증가를 제공하여 상기 스택(1)의 수축량을 보충할 수 있도록 설치된 압전소자(17);를 포함하여 구성되고,
상기 압전소자(17)에는 상기 압전소자(17)의 길이 변화를 상기 체결부재(3)와 스택(1)으로 전달할 수 있도록 상호 이격되거나 접근될 수 있도록 상호운동부재(9)가 연결되고;
상기 압전소자(17)는 상기 상호운동부재(9)를 통해 전기를 공급받도록 구성된 것
을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
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