KR200469114Y1 - 연료전지 스택 - Google Patents

Abstract

하단부가 나사산 형태인 다수의 타이로드; 상기 타이로드의 상단부가 내장될 수 있도록 다수의 홈이 형성된 제1엔드플레이트; 나사산 형태의 다수의 탭이 형성된 제2엔드플레이트; 및 외부로 상기 연료전지에 축적된 전력을 방출하는 단자부; 를 포함하며, 일측에 상기 제1엔드플레이트가 배치되고, 반대편 일측에 상기 제2엔드플레이트가 배치되며, 상기 제1엔드플레이트와 상기 제2엔드플레이트 사이에 연료 전지가 적층되고, 상기 타이로드는 상기 제1엔드플레이트의 홈을 관통하고, 상기 타이로드의 상단부는 상기 제1엔드플레이트의 홈에 내장되고, 상기 타이로드의 하단부는 상기 제2엔드플레이트의 탭에 체결되는 연료전지 스택은 타이로드가 외부로 노출되지 않으므로 연료전지 스택 설치시 공간에 따른 자유도가 증가하고, 타이로드를 엔드플레이트에 직접 체결하여 연료전지 스택의 조립공정이 단순화 되어 조립시간이 단축되고 제조원가가 절감되며, 연료전지 스택을 이용한 모듈구성에도 적층이 용이하다는 효과가 존재한다.

Description

연료전지 스택{Fuel cell stack}

본 고안은 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 타이로드를 엔드플레이트에 내장시켜 연료전지의 기밀을 유지하는 연료전지 스택에 관한 것이다.

연료전지는 연료(수소)의 화학 에너지가 전기 에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 전지를 말한다.

연료전지 스택은 다수의 연료전지가 적층된 집합체를 말하며, 공급된 연료(수소)를 이용하여 전기를 발생시킨다.

연료전지는 노트북, 휴대용 전자기기의 소형 전원뿐 아니라 가정이나 요트, 캠핑 등에서 이용가능한 소형 발전장치로 활용된다.

이러한 연료전지는 통상 고분자 전해질형 연료전지 방식이나 직접 액체 연료전지 방식의 연료전지 스택으로 제작된다.

연료전지 스택은 대략 0.5V 내지 0.9V의 전기를 발생시키는 단위전지를 복수개 직렬 연결하여 원하는 전압을 발생하도록 제작된다. 단위전지는 통상 막전극집합체로 불린다. 연료전지 스택은 단위전지의 애노드에 연료를 분배하고 캐소드에 산화제를 분배하기 위한 세퍼레이터가 단위전지와 교대로 적층된 구조로 제작될 수 있다. 이러한 스택 구조는 제작이 용이하고 우수한 성능을 얻을 수 있어 스택 제작 방식으로 많이 이용되고 있다.

연료전지 스택 구조에서 단위전지와 세퍼레이터의 밀착력이 약하면 계면에서의 저항이 증가하고 유체의 누설이 발생할 수 있다. 또한 단위전지와 세퍼레이터의 밀착력이 강하면 단위전지나 세퍼레이터의 내구성에 손상을 입힐 수 있다. 따라서 연료전지 스택은 가능하다면 단위전지와 세퍼레이터의 적층체가 적절한 압력으로 밀착되도록 체결되어야 한다.

종래의 연료전지 스택은 제1 및 제2 엔드플레이트가 상하면에 위치하고 타이로드가 제1 및 제2 엔드플레이트를 관통하고, 볼트 헤드모양인 타이로드의 상단부에 의해 제1 엔드플레이트 위로 타이로드가 고정되고, 제2 엔드플레이트 아래로 나사산이 형성된 타이로드의 하단부에 너트를 결합하여 그 체결력에 의해 연료전지 스택을 밀봉하는 방식을 취하였다.

종래의 연료전지 스택은 타이로드의 상단부 및 하단부가 외부로 노출되어 있어 연료전지 스택을 설치하는 공간이 제한되거나, 이를 개선하기 위한 외부 케이스의 적용으로 제조원가 상승 및 스택 제작공정이 복잡하게 되는 문제점이 존재하였다.

나아가 너트를 통한 조립으로 인하여 진동이나 충격시 너트풀림 현상으로 최초 체결력에 대한 신뢰성의 확보가 어렵다는 문제점이 존재하였다.

또한, 연료전지에 필요한 가스를 공급하기 위한 가스출입구가 엔드플레이트 상면에 있어 연료전지 스택 다수로 모듈을 구성하는데 어려움이 존재하였다.

또한, 음극 및 양극 단자가 각각 제1 및 제2 엔드플레이트의 부근에 위치하여 연료전지 스택을 다수로 모듈을 구성할 때 각각의 연료전지 스택을 연결하는 데 있어서 불편함이 존재하였다.

본 고안은 연료전지 스택의 제1 엔드플레이트에 타이로드의 상단부가 내장되도록 홈을 형성하고, 제2 엔드플레이트에 타이로드의 하단부가 체결되도록 탭을 형성하여, 타이로드가 외부로 노출되지 않도록 체결되는 연료전지 스택을 구성하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 고안은 가스출입구를 연료전지 스택의 엔드플레이트의 측면에 위치하는 엔드플레이트를 구성하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 고안은 음극 및 양극 단자를 일방의 엔드플레이트 부근에 형성하는 것을 목적으로 한다.

본 고안의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 하단부가 나사산 형태인 다수의 타이로드; 상기 타이로드의 상단부가 내장될 수 있도록 다수의 홈이 형성된 제1엔드플레이트; 나사산 형태의 다수의 탭이 형성된 제2엔드플레이트; 및 외부로 상기 연료전지에 축적된 전력을 방출하는 단자부; 를 포함하며, 일측에 상기 제1엔드플레이트가 배치되고, 반대편 일측에 상기 제2엔드플레이트가 배치되며, 상기 제1엔드플레이트와 상기 제2엔드플레이트 사이에 연료 전지가 적층되고, 상기 타이로드는 상기 제1엔드플레이트의 홈을 관통하고, 상기 타이로드의 상단부는 상기 제1엔드플레이트의 홈에 내장되고, 상기 타이로드의 하단부는 상기 제2엔드플레이트의 탭에 체결될 수 있다.

본 고안의 일 실시예에 있어서 상기 제1엔드플레이트는, 상기 제1엔드플레이트에서 연장되어 형성되며, 상기 단자부와 체결하는 단자결합부; 상기 제1엔드플레이트의 일측면에 형성되며, 연료와 냉각수를 공급하는 퀵커플링 커넥터 형식의 다수의 가스출입구; 및 상기 가스출입구에서 상기 제1엔드플레이트의 내부로 연장되어 상기 제1엔드플레이트와 상기 연료전지가 맞닿는 곳에 형성되며, 연료와 냉각수를 상기 연료전지로 전달하는 매니폴드; 를 포함할 수 있다.

본 고안의 일 실시예 있어서 상기 단자부는, 상기 연료전지의 일 극성에 연결되며, 상기 연료전지 스택의 외부에 노출되어 상기 연료전지의 전력을 전달하는 제1단자; 상기 연료전지의 다른 일 극성에 연결되며, 상기 단자부의 내부를 통해 상기 제1단자의 방향으로 절곡하여 연장되어 상기 연료전지 스택의 외부에 노출되고, 상기 연료전지의 전력을 전달하는 제2단자; 및 상기 단자부에서 연장되어 형성되며, 상기 제1엔드플레이트 및 제2엔드플레이트와 체결하는 단자결합홈; 을 포함할 수 있다.

본 고안의 일 실시예에 있어서 상기 단자부는, 상기 연료전지 스택으로부터 출력되는 전력을 크기를 디스플레이하고, 상기 연료전지의 개별온도를 표시하는 것을 특징으로 하는 센서부; 를 포함할 수 있다.

본 고안에 따르면, 연료전지 스택은 타이로드가 외부로 노출되지 않으므로 연료전지 스택 설치시 공간에 따른 자유도가 증가하고, 타이로드를 엔드플레이트에 직접 체결하여 연료전지 스택의 조립공정이 단순화 되어 조립시간이 단축되고 제조원가가 절감되며, 연료전지 스택을 이용한 모듈구성에도 적층이 용이하다는 효과가 존재한다.

또한, 연료전지에 필요한 가스를 공급하기 위한 가스출입구가 엔드플레이트 상면에 있어 연료전지 스택 다수로 모듈을 구성하는데 용이하다는 효과가 존재한다.

또한, 음극 및 양극 단자가 각각 제1 및 제2 엔드플레이트의 부근에 위치하여 연료전지 스택을 다수로 모듈을 구성할 때 각각의 연료전지 스택을 연결하는 데 있어서 불편함이 해결되는 효과가 존재한다.

도1은 본 고안의 일 실시예에 의한 연료전지 스택의 구성에 대한 사시도.
도2는 본 고안의 일 실시예에 의한 연료전지 스택을 정면에서 바라본 도시도.
도3은 본 고안의 일 실시예에 의한 제1엔드플레이트를 제2에서 바라본 도시도. 및
도4는 본 고안의 일 실시예에 의한 제1엔드플레이트를 가스출입구가 있는 측면에서 바라본 도시도이다.

본 고안은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 고안을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 고안의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 고안을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 고안을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 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 고안에 따른 연료전지 스택의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도1은 본 고안의 일 실시예에 의한 연료전지 스택의 구성에 대한 사시도이다.

본 고안의 일 실시에 따른 연료전지 스택은 제1엔드플레이트(10), 제2엔드플레이트(20), 타이로드(150), 단자부(30)를 포함할 수 있다.

본 고안의 일 실시예에 의한 타이로드(150)는 하단부에 나사산을 가질 수 있다.

본 고안의 일 실시예에 의한 제1엔드플레이트(10)는 타이로드(150)의 상단부가 내장될 수 있도록 다수의 홈(10)이 형성될 수 있다.

본 고안의 일 실시예에 의한 제2엔드플레이트(20)는 타이로드(150)의 하단부에 형성된 나사산이 체결되도록 나사산 형태의 다수의 탭(20)이 형성된다.

설명의 편의상 도1에서, 제1엔드플레이트의 위치를 좌, 제2엔드플레이트의 위치를 우, 단자부의 위치를 상, 연료전지의 위치를 하, 제1엔드플레이트에서 제2엔드플레이트로 연장한 선의 좌측을 전, 그 반대편을 후로 표현한다.

좌측에 연료전지 스택의 제1엔드플레이트(10)가 배치되고, 우측에 제2엔드플레이트(20)가 배치된다.

제1엔드플레이트(10)와 제2엔드플레이트(20) 사이에는 연료전지(40)가 적층된다.

타이로드(150)는 제1엔드플레이트(10)의 홈(110)을 관통하여 타이로드(150)의 상단부는 제1엔드플레이트(10)의 홈(10)에 내재되고, 타이로드(150)의 하단부는 제2엔드플레이트(20)의 탭(20)에 체결된다.

적층된 연료전지(40)에 균일한 체결압을 유지하기 위해서 네 방향의 모서리 및 모서리 중간에 다수의 홈(110)이 위치할 수 있다.

타이로드(150)의 상단부의 형태는 도시된 바에 따른 원형에 국한되지 않으며, 다양한 모양의 실시예를 가질 수 있다.

타이로드(150)의 상단부가 제1엔드플레이트(10)에 내재되는 높이는 반드시 타이로드(150)와 제1엔드플레이트(10)의 외부면의 높이가 동일하도록 조절되는 것에 국한되지 않고, 타이로드(150)의 상단부가 제1엔드플레이트(10)의 외부면의 높이보다 아래쪽에 형성될 수 있다.

연료전지 스택의 성능유지를 위한 소정의 체결압력을 유지하기 위해서, 제2엔드플레이트(20)의 탭(210)과 타이로드(150)의 하단부의 나사산을 체결압력의 범위에 맞도록 제작하여 타이로드(150)와 제2엔드플레이트(20)의 체결과 동시에 연료전지의 체결압력에 도달될 수 있다.

제1엔드플레이트(10)는 홈(110), 가스출입구(120), 단자결합부(130), 매니폴드(140)를 포함하여 구성되며, 상세한 설명은 도3 및 도4에서 후술한다.

단자부(30)는 외부로 상기 연료전지에 축적된 전력을 방출할 수 있다.

단자부(30)는 제1단자(310), 제2단자(320), 단자결합홈(130)을 포함하여 구성되며, 상세한 설명은 도2에서 후술한다.

도2는 본 고안의 일 실시예에 의한 연료전지 스택을 정면에서 바라본 도시도이다.

단자부(30)는 제1단자(310), 제2단자(320), 단자결합홈(130)을 포함하여 구성된다.

제1단자(310)는 연료전지의 플러스 극성에 연결되며, 연료전지 스택의 외부에 노출어 상기 연료전지의 전력을 전달할 수 있다.

제2단자(320)는 연료전지의 마이너스 극성에 연결되며, 단자부(320)의 내부를 통해 제1단자(310)가 있는 왼쪽 방향으로 절곡하여 연장되어 제1단자(310)의 오른쪽으로 노출되고, 연료전지의 전력을 전달할 수 있다.

종래에는 제2단자가 제1단자와 마찬가지로 절곡없이 제1엔드플레이트 및 제2엔드플레이트 위치에서 외부로 드러나게 되어 다수의 연료전지 스택을 엮어 모듈로 구성할 때 음극과 양극을 연결하여 모듈을 구성하는데 공간적인 낭비와 극간 연결처리의 어려움이 있었으나, 본 발명을 통해 공간의 낭비와 극간 연결처리의 복잡함을 해결하는 효과가 존재한다.

단자결합홈(330)은 제1엔드플레이트(10) 및 제2엔드플레이트(20)에서 연장되어 형성되는 단자결합부(130)와 체결하여 단자부(30)를 제1및제2엔드플레이트에 고정할 수 있다.

단자결합홈(330)과 단자결합부(130)는 나사결합방식으로 체결할 수 있으나, 반드시 이러한 방식에만 제한되지는 않으며 당업자가 용이하게 적용할 수 있는 다양한 방법을 포함한다.

도3은 본 고안의 일 실시예에 의한 제1엔드플레이트를 제2에서 바라본 도시도이고, 도4는 본 고안의 일 실시예에 의한 제1엔드플레이트를 가스출입구가 있는 측면에서 바라본 도시도이다.

제1엔드플레이트(10)는 가스출입구(120), 단자결합부(130), 매니폴드(140)를 포함하여 구성된다.

가스출입구(120)는 제1엔드플레이트의 일측면에 형성되며, 연료와 냉각수를 공급할 수 있다.

바람직하게는, 가스출입구(120)의 형태를 퀵커플링 커넥터 형식으로 할 수 있다.

종래에는 연료전지에 필요한 가스를 출입하기 위한 통로가 엔드플레이트의 상부, 즉 넓은 면에 존재하였으나, 이런 경우 연료전지 스택끼리 모듈을 형성하는 경우 가스출입구가 가려지게 되어 모듈의 보수가 필요한 경우 일부 연료전지 스택을 제거하여 보수해야 하는 단점이 존재하였다. 본 발명에 따르면 가스출입구를 엔드플레이트의 측면으로 배치하여 다수의 연료전지 스택을 모듈로 구성하는 경우라도 가스출입구가 외부로 드러나 있으므로 모듈 내부의 해당 연료전지 스택을 유지보수하는 것이 용이하다는 장점이 존재한다.

또한 가스출입구의 형식을 퀵커플링 형태로 하는 경우, 가스를 주입하기 위한 호스 등과 같은 매개체를 연결하거나 제거하는 것이 더욱 신속하고 용이하다.

단자결합부(130)는 제1엔드플레이트(10)에서 연장되어 형성되며, 단자부(30)와 체결할 수 있으며, 특히 단자부(30)의 단자결합홈(330)과 결합하여 단자부를 연료전지 스택에 고정할 수 있다.

매니폴드(140)는 가스출입구(120)에서 제1엔드플레이트(10)의 내부로 연장되어 제1엔드플레이트(10)와 연료전지(40)가 맞닿는 곳에 형성되며, 연료와 냉각수를 상기 연료전지로 전달할 수 있다.

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

10 : 제1엔드플레이트
110 : 홈
120 : 가스출입구
130 : 단자결합부
140 : 매니폴드
150 : 타이로드
20 : 제2엔드플레이트
210 : 탭
30 : 단자부
310 : 제1단자
320 : 제2단자
330 : 단자결합홈
40 : 연료전지

Claims (3)

1. 다수의 연료전지가 적층되어 형성되는 연료전지 스택에 있어서,
   상기 연료전지 스택은,
   하단부가 나사산 형태인 다수의 타이로드;
   상기 타이로드의 상단부가 내장될 수 있도록 다수의 홈이 형성된 제1엔드플레이트;
   나사산 형태의 다수의 탭이 형성된 제2엔드플레이트; 및
   외부로 상기 연료전지에 축적된 전력을 방출하는 단자부; 를 포함하며,
   일측에 상기 제1엔드플레이트가 배치되고, 반대편 일측에 상기 제2엔드플레이트가 배치되며,
   상기 제1엔드플레이트와 상기 제2엔드플레이트 사이에 연료 전지가 적층되고,
   상기 타이로드는 상기 제1엔드플레이트의 홈을 관통하고, 상기 타이로드의 상단부는 상기 제1엔드플레이트의 홈에 내장되고,
   상기 타이로드의 하단부는 상기 제2엔드플레이트의 탭에 체결되는 연료전지 스택.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1엔드플레이트는,
   상기 제1엔드플레이트에서 연장되어 형성되며, 상기 단자부와 체결하는 단자결합부;
   상기 제1엔드플레이트의 일측면에 형성되며, 연료와 냉각수를 공급하는 퀵커플링 커넥터 형식의 다수의 가스출입구; 및
   상기 가스출입구에서 상기 제1엔드플레이트의 내부로 연장되어 상기 제1엔드플레이트와 상기 연료전지가 맞닿는 곳에 형성되며, 연료와 냉각수를 상기 연료전지로 전달하는 매니폴드; 를 포함하는 연료전지 스택.
3. 제1항에 있어서,
   상기 단자부는,
   상기 연료전지의 일 극성에 연결되며, 상기 연료전지 스택의 외부에 노출되어 상기 연료전지의 전력을 전달하는 제1단자;
   상기 연료전지의 다른 일 극성에 연결되며, 상기 단자부의 내부를 통해 상기 제1단자의 방향으로 절곡하여 연장되어 상기 연료전지 스택의 외부에 노출되고, 상기 연료전지의 전력을 전달하는 제2단자; 및
   상기 단자부에서 연장되어 형성되며, 상기 제1엔드플레이트 및 제2엔드플레이트와 체결하는 단자결합홈; 을 포함하는 연료전지 스택.
   

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