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KR100726503B1 - 연료전지스택 구조 - Google Patents

연료전지스택 구조 Download PDF

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KR100726503B1
KR100726503B1 KR1020050121086A KR20050121086A KR100726503B1 KR 100726503 B1 KR100726503 B1 KR 100726503B1 KR 1020050121086 A KR1020050121086 A KR 1020050121086A KR 20050121086 A KR20050121086 A KR 20050121086A KR 100726503 B1 KR100726503 B1 KR 100726503B1
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KR
South Korea
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fuel cell
plate
cell stack
end plate
stack structure
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Application number
KR1020050121086A
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Inventor
조규택
양유창
이종현
임태원
Original Assignee
현대자동차주식회사
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Publication date
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Priority to DE102006045463.4A priority patent/DE102006045463B4/de
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Priority to CN200610137575A priority patent/CN100593878C/zh
Priority to US11/636,699 priority patent/US20070134524A1/en
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Abstract

본 발명은 연료전지스택에 사용되는 유체들의 기밀성을 충분히 확보할 수 있고, 구조적인 안정성 및 전기적 안정성을 고루 갖추도록 한 연료전지스택 구조를 제공한다.

Description

연료전지스택 구조{STRUCTURE OF A FUEL CELL STACK}
도 1은 본 발명에 따른 연료전지스택의 외관을 도시한 도면,
도 2는 도 1의 분해사시도,
도 3은 각 단위모듈의 구조를 도시한 분해사시도,
도 4는 고정밴드의 구조를 설명한 도면,
도 5는 버스바의 구조를 설명한 도면,
도 6은 모듈체결볼트와 그 관련부품을 도시한 도면,
도 7은 공용분배기와 단위모듈간의 가스켓 설치구조를 종래와 비교하여 설명한 도면,
도 8은 편요철절연판의 구조를 설명한 도면,
도 9는 양요철절연판의 구조를 설명한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
1; 막전극어셈블리 3; 분리판
5; 연료전지셀 7; 집전판
9; 절연판 11; 보강리브
13; 엔드플레이트 15; 고정밴드
17; 단위모듈 19; 공용분배기
21; 버스바 23; 교통구멍
25; 체결구멍 27; 밴드머리
29; 볼트통과홀 31; 차단보스
33; 차단체 35; 밴드중간부
37; 밴드볼트 39; 전류인출부
41; 버스바머리 43; 버스바중간부
45; 연결볼트 47; 절연커버
49; 모듈결합볼트 53; 볼트구멍
51; 너트 55; 볼트머리
57; 볼트머리커버 59; 너트커버
61; 가스켓 63; 가스켓홈
65; 요철부 67; 양요철절연판
69; 편요철절연판 71; 커버절연판
73; 직렬연결구멍 75; 상하직렬버스바
77; 구멍커버 79; 단자플레이트
81; 유출입구멍
본 발명은 연료전지스택 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량에 탑 재되어 공기와 수소 및 냉각수를 공급받아 전기에너지를 생산하는 연료전지스택의 구조에 관한 기술이다.
연료전지스택에는 공기와 수소 및 냉각수가 지속적으로 공급되어야 하므로 상기와 같은 유체(流體)들의 기밀성을 충분히 확보해야 함은 물론, 자체적인 구조적 안정성과, 전기적 안정성을 고루 갖추어야 한다.
본 발명은 연료전지스택에 사용되는 유체들의 기밀성을 충분히 확보할 수 있고, 구조적인 안정성 및 전기적 안정성을 고루 갖추도록 한 연료전지스택 구조를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 연료전지스택 구조는
막전극어셈블리와 분리판으로 이루어진 연료전지셀과, 일렬로 중첩시킨 상기 연료전지셀들의 양측에 구비된 집전판과, 상기 집전판의 외측에 상기 집전판과 동일한 형상으로 각각 구비되는 절연판과, 상기 절연판의 외측에 구비되고 외측면에 다수의 보강리브가 형성된 엔드플레이트와, 상기 두 엔드플레이트 사이를 연결하여 고정 및 지지하는 다수의 고정밴드를 포함하여 구성된 단위모듈과;
다수의 상기와 같은 단위모듈에 수소와 공기 및 냉각수를 공급하도록 형성된 공용분배기와;
상기 다수의 단위모듈 사이를 전기적으로 연결하는 버스바;
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명 실시예는 막전극어셈블리(1)와 분리판(3)으로 이루어진 연료전지셀(5)과, 일렬로 중첩시킨 상기 연료전지셀(5)들의 양측에 구비된 집전판(7)과, 상기 집전판(7)의 외측에 상기 집전판(7)과 동일한 형상으로 각각 구비되는 절연판(9)과, 상기 절연판(9)의 외측에 구비되고 외측면에 다수의 보강리브(11)가 형성된 엔드플레이트(13)와, 상기 두 엔드플레이트(13) 사이를 연결하여 고정 및 지지하는 다수의 고정밴드(15)를 포함하여 구성된 단위모듈(17)과; 다수의 상기와 같은 단위모듈(17)에 수소와 공기 및 냉각수를 공급하도록 형성된 공용분배기(19)와; 상기 다수의 단위모듈(17) 사이를 전기적으로 연결하는 버스바(21)를 포함하여 구성된다.
상기 절연판(9)이 상기 집전판(7)과 동일한 형상으로 형성되도록 한 것은, 상기 집전판(7)으로부터 외부로 전기적 누설이 일어나는 것을 완전히 차단할 수 있도록 한다.
상기 엔드플레이트(13)의 외측면에 구비된 다수의 보강리브(11)는 상기 엔드플레이트(13)에 가해지는 상기 고정밴드(15)로부터의 하중이 고르게 상기 연료전지셀(5)들에 작용할 수 있도록 하여 상기 분리판(3)이 깨지거나, 각 연료전지셀(5)들의 면압 차이에 의한 성능편차 등이 발생하지 않도록 하는 역할을 한다.
상기 단위모듈(17)의 일측에 위치한 상기 엔드플레이트(13)와 절연판(9) 및 집전판(7)은 각각의 양측에 유체들(수소, 공기, 냉각수)의 통로를 형성하기 위한 교통구멍(23)들이 형성되고, 상기 단위모듈(17)의 타측에 위치한 상기 엔드플레이트(13)와 절연판(9) 및 집전판(7)은 상기 교통구멍(23)들에 상응하는 부분들이 막힌 구조이다.
또한, 상기 막전극어셈블리(1)와 분리판(3)은 상기 교통구멍(23)들을 통해 공급되는 유체들을 소통시키기 위해 상기 교통구멍(23)에 상응하는 구멍들을 구비하고 있으며, 중첩된 마지막 연료전지셀(5)을 형성하는 분리판(3)에만 상기 교통구멍(23)에 상응하는 구멍이 구비되지 않은 구조이다.
참고로, 도 3에는 하나의 연료전지셀(5)만 표현되어 있다.
따라서, 상기 공용분배기(19)로부터 공급된 유체들은 상기 엔드플레이트(13)와 절연판(9) 및 집전판(7)의 일측을 통과하여 각 연료전지셀(5)들에 공급되고 상기 연료전지셀(5)들의 타측으로부터 상기 엔드플레이트(13)와 절연판(9) 및 집전판(7)의 타측을 통하여 빠져나가게 된다.
상기 고정밴드(15)는 도 4와 같이 양단에 엔드플레이트(13)의 외측을 감싸도록 겹쳐지고 다수의 체결구멍(25)을 구비한 밴드머리(27)와; 상기 밴드머리(27)의 외측에 겹쳐지며 상기 체결구멍(25)으로 삽입되고 내부에 볼트통과홀(29)을 구비한 차단보스(31)가 일체로 형성되고 절연재로 이루어진 차단체(33)를 포함하여 구성된다.
상기 고정밴드(15)의 밴드머리(27)들과, 상기 밴드머리(27)들을 연결하는 밴드중간부(35)는 표면이 절연재로 코팅이 이루어진다.
따라서, 상기 고정밴드(15)는 단위모듈(17)을 구성하는 연료전지셀(5)들과 전기적 절연 상태를 완벽하게 확보하면서, 상기 엔드플레이트(13)들을 통해 연료전지셀(5)들을 단일 구조체로 결속하는 힘을 제공할 수 있게 된다.
특히, 상기 고정밴드(15)의 밴드머리(27)들은 밴드볼트(37)에 의해 상기 엔드플레이트(13)에 결합되는데, 상기 차단체(33)에 의해 엔드플레이트(13)와 고정밴드(15) 사이의 전기적 절연상태를 확실히 확보하도록 한다.
즉, 상기 밴드볼트(37)는 상기 엔드플레이트(13)의 체결구멍(25)과는 직접 접촉하지 않으므로, 밴드볼트(37)의 체결작업시에 고정밴드(15)의 코팅막이 파손되거나 하여 엔드플레이트(13)와 상기 밴드볼트(37)를 통한 전기적 연결이 이루어지는 것을 원천적으로 방지하도록 한 것이다.
상기 집전판(7)은 상기 단위모듈(17)의 측면으로 돌출되도록 전류인출부(39)가 일체로 형성되어 있다.
이는 각 단위모듈(17) 사이를 상기 버스바(21)로 연결하기 위한 것이다.
상기 버스바(21)는 도 5와 같이 긴 막대의 양단이 일측으로 구부러진 형상으로 형성되어 양단의 버스바머리(41)와, 상기 버스바머리(41)를 연결하는 버스바중간부(43)로 이루어지고; 상기 버스바중간부(43)는 2부분으로 분리되어 분리된 부분이 서로 겹쳐진 상태에서 연결볼트(45)에 의해 결합되도록 되어 있으며; 상기 버스바머리(41)의 외측에는 절연체로 이루어진 절연커버(47)가 구비되고; 상기 버스바중간부(43)에는 절연재로 코팅이 이루어진 구조이다.
상기 버스바(21)로 단위모듈(17) 사이를 전기적으로 연결하는 것은 상기 버스바(21)중간부가 2부분으로 분리된 상태에서 상기 양쪽의 버스바(21)머리를 각각 상기 집전판(7)의 전류인출부(39)에 고정하고, 이후에 상기 2부분으로 분리된 버스바(21)중간부를 서로 겹친 상태에서 상기 연결볼트(45)로 연결함으로써 이루어진다.
상기와 같이 버스바머리(41)를 각각 먼저 집전판(7)에 결합하도록 함으로써, 집전판(7)과 버스바(21)의 전기적 접촉성을 우수하게 확보하도록 하고 제작 공차 등을 상기 버스바중간부(43)에서 흡수할 수 있도록 하였으며, 상기 절연재 코팅과 절연커버(47)는 전기의 외부누출을 안전하게 차단할 수 있도록 한다.
도 2와 도 6을 참조하면, 상기 엔드플레이트(13)는 상기 공용분배기(19)와의 결합을 위해 모듈결합볼트(49)가 통과하는 볼트구멍(53)이 다수개 구비된 것과, 상기 모듈결합볼트(49)가 체결되는 너트(51)가 내부에 삽입된 것의 2가지가 상기 공용분배기(19)를 중심으로 서로 대향되게 설치되며; 상기 볼트구멍(53)이 형성된 엔드플레이트(13)에는 볼트머리(55)가 내측으로 삽입되어 볼트머리(55)와 엔드플레이트(13)와 접촉하는 것을 차단하도록 상기 엔드플레이트(13) 내에 삽입되는 볼트머리커버(57)가 구비되고; 상기 너트(51)가 내부에 삽입된 엔드플레이트(13)에는 상기 너트(51)와 엔드플레이트(13)의 접촉을 차단하도록 너트(51)의 외측을 감싸는 너트커버(59)가 삽입된 구조이다.
따라서, 상기 모듈결합볼트(49)에 의해서 두 단위모듈(17)이 공용분배기(19)를 사이에 두고 서로 강하게 결합된 구조를 가지게 되며, 상기 모듈결합볼트(49)를 통해서 구조적 결합력은 서로 전달되지만, 전기적으로는 상기 볼트머리커버(57)와 너트커버(59)에 의해 양쪽의 엔드플레이트(13)가 완전히 절연된 상태를 확보할 수 있게 된다.
도 7과 같이 상기 공용분배기(19)에는 상기 엔드플레이트(13)와 대향하는 면에 유체들을 소통시키기 위한 부분의 기밀을 유지하기 위해 가스켓(61)이 구비되고; 상기 가스켓(61)이 삽입되는 공용분배기(19)의 가스켓홈(63)은 모듈결합볼트(49)가 관통되는 부위에 가까운 부분이 먼 부분보다 공용분배기(19)의 표면으로부터 깊게 형성된 구조이다.
따라서, 도 7의 상하좌우에 비교된 바와 같이 모듈결합볼트(49)가 체결된 후에 발생하는 엔드플레이트(13)의 국부적 미세 변형에 의해서도 유체의 누출이 발생하지 않게 되고, 오히려 더욱 긴밀한 기밀 상태를 확보할 수 있게 된다.
즉, 도 7의 상측은 종래의 일반적인 단순한 구조로서, 모듈결합볼트(49)의 체결부위와 무관하게 일정한 깊이의 가스켓홈을 가지고 있어서, 모듈결합볼트(49)의 체결후에는 우측의 상측에 도시된 바와 같이 엔드플레이트(13) 및 가스켓(61)의 변형에 의해 유체의 누출이 발생될 수 있는 상태이지만, 본 발명에 의하면 이러한 엔드플레이트(13)의 국부적 변형을 미리 고려한 상기 가스켓홈(63)의 깊이 차이로 인하여, 모듈결합볼트(49)의 체결후에 더욱 안정된 유체 기밀상태를 확보할 수 있게 되는 것이다.
물론, 상기와 같이 가스켓홈(63)의 깊이에 차이를 두는 방법 외에, 가스켓홈의 깊이는 일정하게 하되, 가스켓의 두께를 달리하는 방법도 가능하다.
도 2, 도 8 및 도 9를 참조하면, 상하로 중첩된 상기 단위모듈(17)들의 사이에는 상기 고정밴드(15)의 부피를 흡수하기 위한 요철부(65)가 양쪽 면에 형성된 양요철절연판(67)이 구비되고; 상기 단위모듈(17)들의 상측면과 하측면에는 각각 단위모듈(17)을 향한 면에 상기 고정밴드(15)의 부피를 흡수하기 위한 요철부(65)가 구비된 편요철절연판(69)이 구비되어 있다.
상기 요철부(65)는 단순한 평판의 표면에 절연체를 돌출되게 부가하여 이루어진 구조를 취하였다.
또한, 상기 단위모듈(17)의 공용분배기(19)와 연결된 반대쪽의 엔드플레이트(13) 외측에는 외부와의 절연을 위한 커버절연판(71)이 구비된 구조이다.
따라서, 상기 단위모듈(17)들은 서로간의 사이가 전기적으로 절연됨은 물론 외부와의 사이도 전기적으로 안전하게 절연된 구조를 가진다.
참고로, 도 2의 좌측에는 두 커버절연판(71)에 형성된 직렬연결구멍(73)을 통해 상하직렬버스바(75)가 서로 연결되어 상측과 하측의 단위모듈(17)이 서로 직렬로 연결되도록 되어 있으며, 상기 직렬연결구멍(73)은 구멍커버(77)로 외부와 차단되도록 되어 있다.
도 2의 우측은 도 1의 우측에 결합이 완료된 상태로 표현되어 있는데, 상측 의 단위모듈(17)과 하측의 단위모듈(17)에 각각 연결된 단자플레이트(79)에 의해 외부로 전력이 인출될 수 있도록 되어 있으며, 상기 공용분배기(19)에는 수소와 공기 및 냉각수의 유출입구멍(81)들이 형성되어 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 연료전지스택에 사용되는 유체들의 기밀성을 충분히 확보할 수 있고, 구조적인 안정성 및 전기적 안정성을 고루 갖추도록 한 연료전지스택 구조를 확보할 수 있도록 한다.

Claims (10)

  1. 막전극어셈블리와 분리판으로 이루어진 연료전지셀과, 일렬로 중첩시킨 상기 연료전지셀들의 양측에 구비된 집전판과, 상기 집전판의 외측에 상기 집전판과 동일한 형상으로 각각 구비되는 절연판과, 상기 절연판의 외측에 구비되고 외측면에 다수의 보강리브가 형성된 엔드플레이트와, 상기 두 엔드플레이트 사이를 연결하여 고정 및 지지하는 다수의 고정밴드를 포함하여 구성된 단위모듈과;
    다수의 상기와 같은 단위모듈에 수소와 공기 및 냉각수를 공급하도록 형성된 공용분배기와;
    상기 다수의 단위모듈 사이를 전기적으로 연결하는 버스바;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지스택 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위모듈의 일측에 위치한 상기 엔드플레이트와 절연판 및 집전판은 각각의 양측에 유체들의 통로를 형성하기 위한 교통구멍들이 형성되고;
    상기 단위모듈의 타측에 위치한 상기 엔드플레이트와 절연판 및 집전판은 상기 교통구멍들에 상응하는 부분들이 막힌 것
    을 특징으로 하는 연료전지스택 구조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고정밴드는
    양단에 엔드플레이트의 외측을 감싸도록 겹쳐지고 다수의 체결구멍을 구비한 밴드머리와;
    상기 밴드머리의 외측에 겹쳐지며 상기 체결구멍으로 삽입되고 내부에 볼트통과홀을 구비한 차단보스가 일체로 형성되고 절연재로 이루어진 차단체;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지스택 구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고정밴드의 밴드머리들과, 상기 밴드머리들을 연결하는 밴드중간부는 표면이 절연재로 코팅이 이루어진 것
    을 특징으로 하는 연료전지스택 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 집전판은
    상기 단위모듈의 측면으로 돌출되도록 전류인출부가 일체로 형성된 것
    을 특징으로 하는 연료전지스택 구조.
  6. 제1항에 있어서, 상기 버스바는
    긴 막대의 양단이 일측으로 구부러진 형상으로 형성되어 양단의 버스바머리와, 상기 버스바머리를 연결하는 버스바중간부로 이루어지고;
    상기 버스바중간부는 2부분으로 분리되어 분리된 부분이 서로 겹쳐진 상태 에서 연결볼트에 의해 결합되도록 되어 있으며;
    상기 버스바머리의 외측에는 절연체로 이루어진 절연커버가 구비되고;
    상기 버스바중간부에는 절연재로 코팅이 이루어진 것
    을 특징으로 하는 연료전지스택 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 엔드플레이트는 상기 공용분배기와의 결합을 위해 모듈결합볼트가 통과하는 볼트구멍이 다수개 구비된 것과, 상기 모듈결합볼트가 체결되는 너트가 내부에 삽입된 것의 2가지가 상기 공용분배기를 중심으로 서로 대향되게 설치되며;
    상기 볼트구멍이 형성된 엔드플레이트에는 볼트머리가 내측으로 삽입되어 볼트머리와 엔드플레이트와 접촉하는 것을 차단하도록 상기 엔드플레이트 내에 삽입되는 볼트머리커버가 구비되고;
    상기 너트가 내부에 삽입된 엔드플레이트에는 상기 너트와 엔드플레이트의 접촉을 차단하도록 너트의 외측을 감싸는 너트커버가 삽입된 것
    을 특징으로 하는 연료전지스택 구조.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공용분배기에는 상기 엔드플레이트와 대향하는 면에 유체들을 소통시키기 위한 부분의 기밀을 유지하기 위해 가스켓이 구비되고;
    상기 가스켓이 삽입되는 공용분배기의 가스켓홈은 모듈결합볼트가 관통되는 부위에 가까운 부분이 먼 부분보다 공용분배기의 표면으로부터 깊게 형성된 것
    을 특징으로 하는 연료전지스택 구조.
  9. 제1항에 있어서,
    상하로 중첩된 상기 단위모듈들의 사이에는 상기 고정밴드의 부피를 흡수하기 위한 요철부가 양쪽 면에 형성된 양요철절연판이 구비되고;
    상기 단위모듈들의 상측면과 하측면에는 각각 단위모듈을 향한 면에 상기 고정밴드의 부피를 흡수하기 위한 요철부가 구비된 편요철절연판이 구비된 것
    을 특징으로 하는 연료전지스택 구조.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 단위모듈의 공용분배기와 연결된 반대쪽의 엔드플레이트 외측에는 외부와의 절연을 위한 커버절연판이 구비된 것
    을 특징으로 하는 연료전지스택 구조.
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