KR101209678B1 - 연료전지 스택의 면압 조절 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 면압 조절 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공압 또는 유압에 의하여 팽창 가능한 인플레이터를 엔드플레이트내에 탑재시켜, 연료전지 스택의 체결을 위한 면압을 일정 수준 이상으로 조절하여 유지시킬 수 있도록 한 연료전지 스택의 면압 조절 장치에 관한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다수의 유니트 셀 단위로 적층되는 연료전지 스택에 있어서, 상기 스택의 일측단부에 밀착 고정되는 고정형의 하부 엔드플레이트와; 상기 스택의 타측단부에 밀착되어, 정수압에 의하여 팽창 가능한 상부 엔드플레이트와; 상기 스택과, 상부 및 하부 엔드플레이트를 감으면서 소정의 체결압으로 결합시키는 체결밴드; 로 구성하여, 상기 상부 엔드플레이트에 팽창을 위한 유압 또는 공압을 공급하여 스택의 면압을 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 면압 조절 장치를 제공한다.

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Description

연료전지 스택의 면압 조절 장치{Device for jointing fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 스택의 면압 조절 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공압 또는 유압에 의하여 팽창 가능한 인플레이터를 엔드플레이트내에 탑재시켜, 연료전지 스택의 체결을 위한 면압을 일정 수준 이상으로 조절하여 유지시킬 수 있도록 한 연료전지 스택의 면압 조절 장치에 관한 것이다.

연료전지 스택은 전해질막 및 전극을 포함하는 막전극 접합체(MEA)와, 가스확산층(GDL)과, 개스킷(Gasket)과, 유로가 형성된 분리판과, 이들을 지지 및 고정시키기 위한 엔드 플레이트가 차례로 적층된 다수의 유니트 셀들이 소정의 면압을 유지하며 결합된 것으로서, 엔드플레이트 사이에 100~300개 정도의 유니트 셀 등이 배열된다.

이러한 연료전지 스택 내의 면압은 접촉저항 상승에 의한 오믹 손실(Ohmic Loss), 가스확산층내의 물질전달 저항에 직접적으로 관련되므로, 스택의 체결력을 적절히 유지하는 것은 좋은 스택 성능을 얻기 위한 필수적인 조건이라 하겠다.

종래의 연료전지 스택을 체결하는 방법은 볼트 및 밴드 방식을 주로 사용하고 있는 바, 도 8에 도시된 바와 같이 볼트 방식의 스택 체결 방법은 스택 길이 이상의 긴 볼트(100)를 사용하고, 양단에 너트(102)로 체결하는 방식이고, 도 9에 도시된 바와 같이 밴드 방식의 스택 체결 방법은 스택 조립시 엔드플레이트를 프레스로 누른 상태에서 밴드(104)를 걸고 볼트로 고정하는 방식이다.

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.

종래의 다른 스택 체결 방법으로서, 엔드플레이트와 이에 대응하는 분리판 사이에 면압 유지수단으로서, 도 10에 도시된 바와 같이 접시스프링(106)을 사용하거나, 도 11에 도시된 바와 같이 다수개의 스프링으로 이루어진 스프링모듈(108)을 사용하는 방법이 있지만, 별도의 압력판이 추가되어 무게 및 부피가 증가하는 단점이 있고, 압력판이 집전판과 일체로 되어 집전판을 통한 전기 인출 구조가 복잡해지는 문제점이 있다.

이렇게 스택에 대한 균일 면압을 제공하고자, 판 스프링, 접시형 스프링, 코일 스프링 등 고강성 금속 탄성체를 사용하게 되면, 이 금속 탄성체의 국부 고하중을 견딜 수 있는 고강도 멤버나 보강 구조를 갖는 엔드 플레이트 사용해야 하는 단점이 있고, 그에 따라 스택의 중량 및 부피가 증가하여 엔진룸내에 스택을 레이아웃하는데 불리한 단점이 있으며, 또한 스프링 모듈 등과 같은 금속 탄성체를 체결압 3~4ton으로 누른 상태에서 해체 및 조립해야 하므로, 프레스 장비 등 갖추어야 하는 등 스택 조립 및 정비성에서 불리한 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 샌드위치 형태의 엔드플레이트내에 팽창 가능한 인플레이터를 내장시킴과 함께 스택을 체결밴드로 결합시켜, 유압 또는 공압 공급원으로부터 공급되는 유압 또는 공압에 의하여 인플레이터가 소정의 압력으로 팽창되도록 함으로써, 인플레이터의 팽창 압력을 받는 엔드플레이트가 스택을 일정한 면압으로 체결시킬 수 있고, 엔드플레이트의 두께방향 변위가 증가되는 것에 대응하여 자동으로 체결압 보정이 이루어질 수 있도록 한 면압 조절 가능한 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다수의 유니트 셀 단위로 적층되는 연료전지 스택에 있어서, 상기 스택의 일측단부에 밀착 고정되는 고정형의 하부 엔드플레이트와; 상기 스택의 타측단부에 밀착되어, 정수압에 의하여 팽창 가능한 상부 엔드플레이트와; 상기 스택과, 상부 및 하부 엔드플레이트를 감으면서 소정의 체결압으로 결합시키는 체결밴드; 로 구성하여, 상기 상부 엔드플레이트에 팽창을 위한 유압 또는 공압을 공급하여 스택의 면압을 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 면압 조절 가능한 연료전지 스택을 제공한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 상부 엔드플레이트는: 저부가 개방된 구조로서, 저면에 안내홈을 갖는 암돌기가 일체로 형성된 상부케이스와; 상부가 개방된 구조로서, 바닥면에 암돌기의 안내홈에 삽입되는 숫돌기가 일체로 형성된 하부케이스와; 상기 하부케이스의 바닥면에 안착되어 유압 또는 공압에 의하여 팽창되는 인플레이터; 로 구성하여, 인플레이터의 팽창에 의하여 상부케이스가 스택의 적층방향으로 팽창 이동되도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 인플레이터로부터 연장된 정수압 유입관이 상부케이스를 관통하여 유압 또는 공압제공수단과 연결되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 상부 엔드플레이트는: 저부가 개방된 구조로서, 저면에 안내홈을 갖는 암돌기가 일체로 형성된 상부케이스와; 상부가 개방된 구조로서, 바닥면에 암돌기의 안내홈에 삽입되는 숫돌기가 일체로 형성된 하부케이스와; 상기 하부케이스의 외둘레면을 따라 형성된 홈에 삽입되어 상부케이스의 내둘레면과 밀착되는 기밀용 실링; 으로 구성하여, 서로 밀폐된 내부공간을 이루는 상부케이스 및 하부케이스 사이공간에 유압 또는 공압을 제공하여 상부케이스가 외 측방향으로 팽창 이동될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상부케이스의 상면에는 유압 또는 공압제공수단과 연결되는 정수압 공급관이 형성된 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 상부케이스의 외측면에는 변위유지용 클립이 형성되고, 이 클립이 끼워지는 다수의 래치홈이 체결밴드에 형성된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 샌드위치 형태의 엔드플레이트내에 팽창 가능한 인플레이터를 내장시킴과 더불어 엔드플레이트를 포함하는 스택을 체결밴드로 결합시킨 다음, 유압 또는 공압 공급원으로부터 공급되는 유압 또는 공압에 의하여 인플레이터가 팽창하는 동시에 인플레이터의 팽창 압력을 받는 엔드플레이트 및 체결밴드가 스택을 일정한 면압으로 체결시킬 수 있다.

또한, 엔드플레이트가 두께 방향으로 팽창되는 변위시, 체결밴드에 형성된 다수개의 래치홈중 하나에 엔드플레이트의 체결클립이 삽입 고정됨에 따라, 엔드플레이트의 변위가 이루어진 상태에서도 스택의 체결 상태가 체결밴드에 의하여 견고하게 유지될 수 있다.

즉, 엔드플레이트의 두께방향 변위가 증가되는 것에 대응하여 체결클립 및 래치홈의 연동에 의하여 자동으로 체결압 보정이 이루어질 수 있다.

또한, 인플레이터를 팽창시키는 유압 또는 공압제공수단을 차량의 브레이크 유압 시스템 등과 같은 차량 내부의 유효 에너지를 이용함으로써, 차량내의 에너지 이용 효율을 증대시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 면압 조절 장치의 상부 엔드플레이트에 대한 일 실시예를 나타내는 분리 사시도이고, 도 2는 조립 단면도이며, 도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 상부 엔드플레이트를 이용한 스택 체결 구조를 설명하는 사시도이다.

연료전지 스택은 막전극 접합체와, 가스확산층과, 개스킷과, 유로가 형성된 분리판을 적층한 후, 이들을 지지 및 고정시키기 위한 엔드 플레이트를 양단부에 체결시켜 이루어진 것으로서, 본 발명에서 양단에 체결되는 엔드플레이트를 각각 상부 및 하부 엔드플레이트로 칭하기로 한다.

본 발명은 샌드위치 구조를 가지며 두개로 분할된 엔드플레이트가 두께 방향 변위를 발생시키면서 스택을 체결하고, 변위가 종료된 위치에서 체결밴드가 스택을 일정한 면압으로 체결시킬 수 있는 점, 또한 엔드플레이트내에 탑재되는 인플레이터를 차량내 정수압(hydraulic pressure) 에너지를 이용하여 팽창시킬 수 있도록 한 점 등에 주안점이 있다.

이를 위해, 상기 상부 엔드플레이트(12)를 샌드위치 구조 즉, 상부 및 하부 케이스(14,16)가 서로 밀폐된 공간을 이루면서 결합되는 구조로 채택하고, 상기 하부 엔드플레이트(17)는 일반적인 고정형 구조로 채택한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상부 엔드플레이트(12)는 상부 및 하부케이스(14,16)로 구성되고, 상기 상부케이스(14)는 저부가 개방된 구조이면서 그 저면에 안내홈(18)을 갖는 한 쌍의 암돌기(20)가 일체로 형성된 구조로 제작되고, 상기 하부케이스(16)는 상부가 개방된 구조이면서 그 바닥면에 암돌기(20)의 안내홈(18)에 각각 삽입되는 숫돌기(22)가 일체로 형성된 구조로 제작된다.

즉, 상기 상부 및 하부케이스(14,16)은 서로 접철되는 방식으로 삽입 체결되는데, 상부케이스(14)의 사방 측단이 하부케이스(16)의 측단내에 접철되는 방식에 의거, 상부케이스(14)와 하부케이스(16)간의 결합이 이루어지고, 그 결합시 상부케이스(14)의 암돌기(20)에 형성된 안내홈(18)에 하부케이스(16)의 숫돌기(22)가 삽입되도록 함으로써, 상부 및 하부케이스(14,16)간의 결합 방향이 정확하게 안내될 수 있다.

이때, 상기 하부케이스(16)의 바닥면, 즉 상부케이스(14) 및 하부케이스(16)간의 결합으로 만들어진 내부 밀폐공간내에 유압 또는 공압에 의하여 팽창되는 인플레이터(24)를 내장시키게 되는데, 인플레이터(24)의 소정 위치에는 숫돌기(22)와 암돌기(20)가 존재하며 서로 결합되는 공간이 되는 간섭방지홀(26)이 형성된다.

또한, 상기 인플레이터(24)로부터 연장된 정수압 유입관(28)이 상부케이스(14)를 관통하여 유압 또는 공압제공수단(30)과 연결되는 바, 첨부한 도 7에 도시된 바와 같이 유압 또는 공압제공수단(30)은 브레이크 페달(32)의 조작에 의하여 유압을 생성하는 마스터 실린더(34)와, 마스터 실린더(34)의 유압력을 받아 디스크를 잡아주는 피스톤(36)을 포함하는 유압 브레이크 시스템과 같이 차량내의 에너지 발생수단을 사용할 수 있다.

바람직하게는, 유압 브레이크 시스템의 마스터 실린더(34)와 디스크를 잡아주는 피스톤(36)간을 연결하는 유압라인을 인플레이터(24)의 정수압 유입관(28)쪽으로 분기시켜 연결하고, 그 분기라인에 ECU에 의하여 제어되는 온/오프 밸브(38)를 설치하여, 마스터 실린더(34)의 유압 생성시 인플레이터(24)로 유압이 제공되어 인플레이터(24)의 팽창이 이루어지도록 한다.

한편, 상기 스택(10) 및 그 양단부에 밀착된 상부 및 하부 엔드플레이트(14,16)를 다수개의 체결밴드(40)를 이용하여 감아줌으로써, 스택(10) 그리고 상부 및 하부 엔드플레이트(12,17)간의 체결이 이루어진다.

이때, 상기 체결밴드(40)의 소정 위치에는 길이방향을 따라 다수개의 래치홈(42)이 형성되고, 상기 상부 엔드플레이트(12)의 상부케이스(14)의 외측면 소정 위치에는 다수개의 래치홈(42)중 하나에 끼워지는 변위유지용 클립(44)이 일체로 형성된다.

바람직하게는, 상기 변위유지용 클립(44)은 상부 엔드플레이트(12) 이외에 스택을 보호하기 위하여 감싸는 인클로져(미도시됨)의 내표면에 형성하여, 체결밴드(40)의 래치홈(42)에 끼워지게 할 수 있음을 물론이다.

따라서, 브레이크 페달(32)을 밟으면, 유압 브레이크 시스템의 마스터 실리더(34)에서 생성되는 유압이 정수압 유입관(28)을 통하여 인플레이터(24)로 공급되 어, 인플레이터(24)가 팽창하는 동시에 상부케이스(14)를 외측방향으로 이동시키게 되고, 동시에 상기 체결밴드(40)가 팽팽해지면서 스택(10)을 소정의 체결압으로 견고하게 결합시키게 된다.

이에 따라, 상기 인플레이터(24)가 하부케이스(17)의 전체 면적에 걸쳐 지지되는 동시에 상부케이스(12)의 전체 면적에 걸쳐 고른 체결압을 작용시키면서 상부케이스(12)를 밀어내는 팽창을 함으로써, 스택(10)의 양단부 면적에 걸쳐 고른 체결 면압을 제공하게 된다.

한편, 상기 인플레이터(24)의 팽창량이 증가하여 상부 엔드플레이트(12)가 두께 방향으로 팽창되며 변위될 때, 즉 상부케이스(14)가 외측방향으로 더 이동할 때, 상부케이스(14)에 형성된 변위 유지용 클립(44)이 체결밴드(40)에 형성된 다수개의 래치홈(42)중 다른 하나에 옴겨져 삽입 고정됨에 따라, 상부 엔드플레이트(12)의 변위가 이루어진 상태에서도 스택(10)의 체결 상태가 체결밴드(40)에 의하여 견고하게 유지될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 일 실시예에서 채택된 인플레이터를 배제하고 상부 엔드플레이트(12) 자체를 팽창 가능한 구조로 적용한 점에 특징이 있다.

즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상부 엔드플레이트(12)는 저부가 개방된 구조이면서 그 저면에 안내홈(18)을 갖는 암돌기(20)가 일체로 형성된 상부케이스(14)와, 상부가 개방된 구조이면서 그 바닥면에 암돌기(20)의 안내홈(18)에 삽입되는 숫돌기(22)가 일체로 형성된 하부케이스(16)로 구성되고, 특히 상기 하부케이스(16)의 외둘레면을 따라 형성된 홈에 상부케이스(14)의 내둘레면과 밀착되는 기 밀용 실링(46)이 삽입되어, 상부케이스(14) 및 하부케이스(16)의 내부를 완전히 밀폐된 내부공간으로 만들어 주게 된다.

이때, 상기 상부케이스(14)의 상면에는 유압 또는 공압제공수단(30)과 연결되어 밀폐된 내부공간에 유압 또는 공압을 전달하는 정수압 공급관(48)이 일체로 연장 형성된다.

따라서, 상기한 유압 브레이크 시스템과 같은 유압제공수단(30)으로부터 정수압 공급관(48)을 거쳐, 상부케이스(14) 및 하부케이스(16)간의 밀폐된 내부공간에 유압이 제공되면, 유압에 의하여 상부케이스(14)가 외측방향으로 밀려나게 되고 동시에 상기 체결밴드(40)가 팽팽해지면서 스택을 소정의 체결압으로 견고하게 결합시키게 된다.

마찬가지로, 상기 상부케이스(14)의 외측방향 변위량이 증가하더라도, 상부케이스(14)에 형성된 변위 유지용 클립(44)이 체결밴드(40)에 형성된 다수개의 래치홈(42)중 다른 하나에 옴겨져 삽입 고정됨에 따라, 다른 실시예에 따른 상부 엔드플레이트(12)의 변위가 이루어진 상태에서도 스택(10)의 체결 상태가 체결밴드(40)에 의하여 견고하게 유지될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 면압 조절 장치의 상부 엔드플레이트에 대한 일 실시예를 나타내는 분리 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 면압 조절 장치의 상부 엔드플레이트에 대한 일 실시예를 나타내는 조립 단면도,

도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 상부 엔드플레이트를 이용한 스택 체결 구조를 설명하는 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 면압 조절 장치의 상부 엔드플레이트에 대한 다른 실시예를 나타내는 분리 사시도,

도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 면압 조절 장치의 상부 엔드플레이트에 대한 다른 실시예를 나타내는 조립 단면도,

도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 상부 엔드플레이트를 이용한 스택 체결 구조를 설명하는 사시도,

도 7은 본 발명에 따른 상부 엔드플레이트에 팽창을 위한 정수압을 제공하는 수단의 일례를 나타내는 개략도,

도 8 내지 도 11은 종래의 연료전지 스택 체결 장치를 나타낸 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 스택 12 : 상부 엔드플레이트

14 : 상부케이스 16 : 하부케이스

17 : 하부 엔드플레이트 18 : 안내홈

20 : 암돌기 22 : 숫돌기

24 : 인플레이터 26 : 간섭방지홀

28 : 정수압 유입관 30 : 유압 또는 공압제공수단

32 : 브레이크 페달 34 : 마스터 실린더

36 : 피스톤 38 : 온/오프 밸브

40 : 체결밴드 42 : 래치홈

44 : 변위유지용 클립 46 : 기밀용 실링

48 : 정수압 공급관

Claims (6)

1. 삭제
2. 다수의 유니트 셀 단위로 적층되는 연료전지 스택에 있어서,

   상기 스택의 일측단부에 밀착 고정되는 고정형의 하부 엔드플레이트와;

   상기 스택의 타측단부에 밀착되어, 정수압에 의하여 팽창 가능한 상부 엔드플레이트와;

   상기 스택과, 상부 및 하부 엔드플레이트를 감으면서 결합시키는 체결밴드;

   로 구성하여, 상기 상부 엔드플레이트에 팽창을 위한 유압 또는 공압을 공급하여 스택의 면압을 조절할 수 있으며,

   상기 상부 엔드플레이트는:

   저부가 개방된 구조로서, 저면에 안내홈을 갖는 암돌기가 일체로 형성된 상부케이스와;

   상부가 개방된 구조로서, 바닥면에 암돌기의 안내홈에 삽입되는 숫돌기가 일체로 형성된 하부케이스와;

   상기 하부케이스의 바닥면에 안착되어 유압 또는 공압에 의하여 팽창되는 인플레이터;

   로 구성하여, 인플레이터의 팽창에 의하여 상부케이스가 적층방향으로 팽창 이동되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 면압 조절 장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 인플레이터로부터 연장된 정수압 유입관이 상부케이스를 관통하여 유압 또는 공압제공수단과 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 면압 조절 장치.
4. 청구항 2에 있어서, 상기 상부 엔드플레이트는:

   저부가 개방된 구조로서, 저면에 안내홈을 갖는 암돌기가 일체로 형성된 상부케이스와;

   상부가 개방된 구조로서, 바닥면에 암돌기의 안내홈에 삽입되는 숫돌기가 일체로 형성된 하부케이스와;

   상기 하부케이스의 외둘레면을 따라 형성된 홈에 삽입되어 상부케이스의 내둘레면과 밀착되는 기밀용 실링;

   으로 구성하여, 서로 밀폐된 내부공간을 이루는 상부케이스 및 하부케이스 사이공간에 유압 또는 공압을 제공하여 상부케이스가 외측방향으로 팽창 이동될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 면압 조절 장치.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 상부케이스의 상면에는 유압 또는 공압제공수단과 연결되는 정수압 공급관이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 면압 조절 장치.
6. 청구항 2에 있어서,

   상기 상부케이스의 외측면에는 변위유지용 클립이 형성되고, 이 클립이 끼워지는 다수의 래치홈이 체결밴드에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 면압 조절 장치.

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