KR101155926B1

KR101155926B1 - 연료 전지 스택 및 연료 전지 스택의 막-전극 접합체 교체 장치

Info

Publication number: KR101155926B1
Application number: KR1020100054943A
Authority: KR
Inventors: 민명기; 김희탁; 채근석; 한상일; 김태윤; 조성용; 송가영
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2012-06-20
Also published as: KR20110135181A; US8647790B2; US20110305966A1

Abstract

연료 전지 스택은 전기 발생부와 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함한다. 전기 발생부는 막-전극 접합체들과, 막-전극 접합체들의 사이에 위치하는 세퍼레이터들을 포함한다. 세퍼레이터들은 그 측면에 막-전극 접합체 교체를 위한 외부 기기를 일시 수용하는 오목부들을 형성한다. 한 쌍의 엔드 플레이트는 전기 발생부의 외측에 위치하며, 체결 부재에 의해 일체로 조립되어 전기 발생부를 가압한다.

Description

연료 전지 스택 및 연료 전지 스택의 막-전극 접합체 교체 장치 {FUEL CELL STACK AND EXCHANGE DEVICE OF MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고장이 발생한 막-전극 접합체를 쉽게 교체할 수 있는 연료 전지 스택 및 연료 전지 스택의 막-전극 접합체 교체 장치에 관한 것이다.

연료 전지 시스템은 연료(탄화수소계 연료, 순수 수소, 또는 수소가 풍부한 개질 가스)와 산화제(공기 또는 순수 산소)의 전기화학적 반응을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료 전지 스택을 포함한다. 직접 산화형 연료 전지는 액체 또는 기체 상태의 탄화수소계 연료를 사용하며, 고분자 전해질형 연료 전지는 순수 수소 또는 수소가 풍부한 개질 가스를 연료로 사용한다.

연료 전지 스택은 막-전극 접합체들과, 막-전극 접합체들 사이에 위치하며 막-전극 접합체들로 연료와 산화제를 공급하는 세퍼레이터들과, 세퍼레이터들의 바깥에 위치하는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함한다. 연료 전지 스택은 체결 부재에 의해 일체로 조립된다. 체결 부재는 연료 전지 스택의 적어도 네 모서리를 관통하는 결합 볼트와, 엔드 플레이트의 바깥에서 결합 볼트의 단부에 체결되어 결합 볼트를 조이는 고정 너트로 구성될 수 있다.

연료 전지 스택에서는 하나의 막-전극 접합체에 문제가 발생하면 연료 전지 스택 전체의 성능이 저하된다. 그런데 연료 전지 스택을 조립하기 전에는 개별 막-전극 접합체의 성능을 테스트하기 어렵기 때문에 문제가 있는 막-전극 접합체를 선별할 수 없다.

그리고 연료 전지 스택 조립 후 이를 사용하는 과정에서 특정 막-전극 접합체에 문제가 발생하면 이를 교체해야 하는데 교체가 쉽지 않다. 즉, 연료 전지 스택 전체를 분해한 다음 재조립해야 하므로 번거로운 교체 과정을 거쳐야 한다. 더욱이 연료 전지 스택을 재조립하는 과정에서 문제가 없는 다른 막-전극 접합체들이 손상될 수 있으므로 정교한 교체 작업이 요구된다.

본 발명은 정상 기능을 수행하는 다른 막-전극 접합체들에 영향을 미치지 않으면서 문제가 발생한 막-전극 접합체만을 쉽게 교체할 수 있는 연료 전지 스택 및 연료 전지 스택의 막-전극 접합체 교체 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은, ⅰ) 막-전극 접합체들과, 막-전극 접합체들의 사이에 위치하는 세퍼레이터들을 포함하는 전기 발생부와, ⅱ) 전기 발생부의 외측에 위치하며, 체결 부재에 의해 일체로 조립되어 전기 발생부를 가압하는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함한다. 세퍼레이터들은 그 측면에 외부 기기를 일시 수용하기 위한 오목부들을 형성한다.

세퍼레이터는 일면에 연료 채널을 형성하고, 다른 일면에 산화제 채널을 형성할 수 있다. 오목부들은 세퍼레이터의 어느 일면에 위치할 수 있다. 연료 채널과 산화제 채널은 세퍼레이터의 유효 영역에 위치하고, 오목부들은 유효 영역의 바깥에 위치할 수 있다.

세퍼레이터는 장방형으로 형성될 수 있다. 세퍼레이터의 두 장변측 가장자리와 두 단변측 가장자리 각각에 2개 이상의 오목부들이 서로간 거리를 두고 위치할 수 있다. 전기 발생부와 한 쌍의 엔드 플레이트는 두께 방향과 나란한 복수의 교체용 홀을 형성하며, 교체용 홀 각각은 오목부들과 이어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체 교체 장치는, 한 쌍의 엔드 플레이트와 막-전극 접합체들 및 세퍼레이터들을 관통하는 교체용 홀들과, 세퍼레이터들의 측면에서 교체용 홀을 향해 연장된 오목부들을 형성한 연료 전지 스택용으로서, 교체용 홀의 일부에 삽입되어 연료 전지 스택 중 교체 대상의 일측에 위치하는 부재들과 체결되는 제1 결합 부재와, 교체용 홀의 나머지 일부에 삽입되어 연료 전지 스택 중 교체 대상의 타측에 위치하는 부재들과 체결되는 제2 결합 부재를 포함한다.

제1 결합 부재는, 교체용 홀의 일부에 끼워지며 일측 단부 근처에 제1 개구부를 형성하는 제1 볼트와, 세퍼레이터들 중 교체 대상의 일측에 위치하는 세퍼레이터의 오목부를 통해 제1 개구부에 삽입되는 제1 고정핀과, 제1 볼트에 체결되는 제1 너트를 포함할 수 있다. 제2 결합 부재는, 교체용 홀의 나머지 일부에 끼워지며 일측 단부 근처에 제2 개구부를 형성하는 제2 볼트와, 세퍼레이터들 중 교체 대상의 타측에 위치하는 세퍼레이터의 오목부를 통해 제2 개구부에 삽입되는 제2 고정핀과, 제2 볼트에 체결되는 제2 너트를 포함할 수 있다.

제1 고정핀의 길이는 제1 개구부의 길이와 오목부의 길이를 더한 것보다 크고, 제2 고정핀의 길이는 제1 고정핀의 길이와 같을 수 있다. 제2 볼트는 제1 볼트보다 작은 길이로 형성될 수 있다. 제1 볼트의 길이는 연료 전지 스택의 두께와 같을 수 있고, 제2 볼트의 길이는 제1 볼트 길이의 절반일 수 있다.

다른 한편으로, 제1 결합 부재는, 교체용 홀의 일부에 끼워지는 제1 외측 볼트와, 제1 외측 볼트의 내부에 나사 결합되는 제1 내측 볼트와, 제1 탄성 부재에 의해 제1 외측 볼트의 일측 단부 근처에 설치되는 제3 고정핀을 포함할 수 있다. 제2 결합 부재는, 교체용 홀의 나머지 일부에 끼워지는 제2 외측 볼트와, 제2 외측 볼트의 내부에 나사 결합되는 제2 내측 볼트와, 제2 탄성 부재에 의해 제2 외측 볼트의 일측 단부 근처에 설치되는 제4 고정핀을 포함할 수 있다.

제2 외측 볼트는 제1 외측 볼트보다 작은 길이로 형성될 수 있다. 제1 외측 볼트의 길이는 연료 전지 스택의 두께와 같을 수 있고, 제2 외측 볼트의 길이는 제1 외측 볼트 길이의 절반일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 막-전극 접합체 교체 장치는 막-전극 접합체들의 사이에 위치하는 세퍼레이터들의 측면에 오목부들을 형성한 연료 전지 스택용으로서, ⅰ) 연료 전지 스택의 외측에서 오목부들과 마주하도록 위치하는 제5 고정핀들과, ⅱ) 제5 고정핀들에 결합되며 연료 전지 스택을 향해 제5 고정핀들을 전진 또는 후진 이동시키는 제1 이동부와, ⅲ) 제1 이동부에 결합되며 연료 전지 스택의 두께 방향을 따라 제5 고정핀들을 이동시키는 제2 이동부를 포함한다.

제1 이동부는 지지 프레임과, 지지 프레임 위에 설치되며 제5 고정핀들 각각을 지지하는 구동 실린더들을 포함할 수 있다. 제2 이동부는 지지 프레임을 관통하여 지지 프레임과 결합되는 이송 스크류와, 이송 스크류와 결합되어 이송 스크류를 회전시키는 구동 모터를 포함할 수 있다.

이송 스크류는 하부 받침대 위에 수직으로 설치되며, 막-전극 접합체 교체 장치는 하부 받침대 위에 설치되어 지지 프레임의 이동을 가이드하는 가이드 바를 더 포함할 수 있다. 지지 프레임은 그 내측에 가이드 바를 수용하는 가이드 홈을 형성할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 연료 전지 스택에 오목부 또는 오목부와 교체용 홀을 형성함으로써 본 실시예들의 교체 장치를 이용하여 문제가 발생한 막-전극 접합체를 쉽게 교체할 수 있다. 또한, 교체 대상을 제외한 나머지 막-전극 접합체들은 교체 과정에서 세퍼레이터들 사이에 안정적으로 위치하므로 교체 과정에서 다른 막-전극 접합체에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택 중 하나의 막-전극 접합체와 2개의 세퍼레이터를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개한 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 4는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절개한 연료 전지 스택의 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시한 연료 전지 스택과 본 발명의 제1 실시예에 따른 막-전극 접합체 교체 장치를 나타낸 단면도이다.
도 6과 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 교체 장치를 이용한 막-전극 접합체의 교체 과정을 나타낸 연료 전지 스택의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 막-전극 접합체 교체 장치를 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 막-전극 접합체 교체 장치를 나타낸 사시도이다.
도 10과 도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 교체 장치를 이용한 막-전극 접합체의 교체 과정을 나타낸 연료 전지 스택의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택의 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 분해 사시도이다.

도 1을 참고하면, 제1 실시예의 연료 전지 스택(100)은 전기 발생부(200), 전기 발생부(200)의 외측에 위치하는 제1 및 제2 집전판(31, 32), 제1 및 제2 집전판(31, 32)의 외측에 위치하는 제1 및 제2 엔드 플레이트(33, 34), 및 체결 부재(40)를 포함한다.

전기 발생부(200)는 막-전극 접합체들(10)과, 막-전극 접합체들(10) 사이에 위치하는 세퍼레이터들(20)을 포함한다. 막-전극 접합체(10)는 세퍼레이터(20)를 통해 연료와 산화제를 제공받으며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 이용하여 전기 에너지를 생성한다. 세퍼레이터(20)는 금속 또는 탄소 복합체와 같은 단단한 도전성 물질로 제조되고, 막-전극 접합체(10)를 지지함과 동시에 막-전극 접합체들(10)을 전기적으로 연결한다.

제1 및 제2 집전판(31, 32)은 전기 발생부(200)에서 생성된 전류를 모아 연료 전지 스택(100) 외부의 전력 변환 장치(도시하지 않음)로 전달하는 기능을 한다. 제1 및 제2 엔드 플레이트(33, 34)는 연료 전지 스택(100)의 가장 바깥에 위치하며, 체결 부재(40)에 의해 일체로 조립되어 전기 발생부(200)의 적층 상태를 유지시킨다.

체결 부재(40)는 제1 및 제2 엔드 플레이트(33, 34), 제1 및 제2 집전판(31, 32), 및 전기 발생부(200)의 적어도 네 모서리를 관통하는 결합 볼트(41)와, 어느 한 엔드 플레이트의 바깥에서 결합 볼트(41)의 단부에 체결되어 결합 볼트(41)를 조이는 고정 너트(42)로 구성될 수 있다. 결합 볼트(41)는 연료 전지 스택(100)의 두께보다 큰 길이를 가지며, 고정 너트(42)가 끼워지는 단부에 나사산(43)을 형성한다. 결합 볼트(41)의 머리부(44)가 제2 엔드 플레이트(34)의 바깥에 위치할 때, 고정 너트(42)는 제1 엔드 플레이트(33)에 밀착된다.

제1 및 제2 엔드 플레이트(33, 34), 제1 및 제2 집전판(31, 32), 및 전기 발생부(200)는 연료 전지 스택(100)의 두께 방향을 따라 결합 볼트(41)를 수용하는 복수의 체결용 홀(35)을 형성한다. 도 1에서는 연료 전지 스택(100)의 네 모서리에 체결용 홀(35)이 형성된 경우를 도시하였으나, 체결용 홀(35)의 위치와 개수는 도시한 예에 한정되지 않고 다양하게 변화 가능하다. 또한, 도 1에서는 결합 볼트(41)와 고정 너트(42)로 이루어진 체결 부재(40)를 도시하였으나, 체결 부재(40)는 도시한 예에 한정되지 않으며, 연료 전지 스택(100)에 체결력을 부여할 수 있는 구조이면 모두 적용 가능하다.

제1 엔드 플레이트(33)와 제2 엔드 플레이트(34) 중 어느 하나의 엔드 플레이트, 일례로 제1 엔드 플레이트(33)에 연료 주입구(331), 산화제 주입구(332), 연료 배출구(333), 및 산화제 배출구(334)가 형성된다. 다른 한편으로, 제1 엔드 플레이트(33)와 제2 엔드 플레이트(34) 중 어느 하나의 엔드 플레이트에 연료 주입구(331)와 산화제 주입구(332)가 형성되고, 다른 하나의 엔드 플레이트에 연료 배출구(333)와 산화제 배출구(334)가 형성될 수 있다. 도 1에서는 제1 엔드 플레이트(33)에 2개의 주입구(331, 332)와 2개의 배출구(333, 334)가 모두 형성된 경우를 예로 들어 도시하였다.

도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택 중 하나의 막-전극 접합체와 2개의 세퍼레이터를 나타낸 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개한 막-전극 접합체의 단면도이다.

도 2와 도 3을 참고하면, 막-전극 접합체(10)는 전해질막(11)과, 전해질막(11)의 일면에 형성된 애노드 전극(12)과, 전해질막(11)의 반대측 일면에 형성된 캐소드 전극(13)과, 전해질막(11)의 가장자리에 고정된 지지 필름(14)을 포함한다.

애노드 전극(12)은 연료를 제공받는 부분으로서 산화 반응에 의해 연료 중의 수소를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층(121)과, 촉매층(121)을 덮는 가스 확산층(122)을 포함한다. 캐소드 전극(13)은 산화제를 공급받는 부분으로서 환원 반응에 의해 산화제 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층(131)과, 촉매층(131)을 덮는 가스 확산층(132)을 포함한다.

전해질막(11)은 애노드 전극(12)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(13)으로 이동시키는 이온 교환 기능을 가진다. 지지 필름(14)은 수분 흡수에 따른 전해질막(11)의 팽창과 주름 발생을 억제하며, 적어도 네 모서리에 체결용 홀(35)을 형성하여 결합 볼트(41)가 막-전극 접합체(10)를 관통하도록 한다.

세퍼레이터(20)는 애노드 전극(12)에 밀착되는 애노드 세퍼레이터(210)와, 캐소드 전극(13)에 밀착되는 캐소드 세퍼레이터(220)로 구분될 수 있다. 애노드 세퍼레이터(210)는 애노드 전극(12)을 향한 일면에 연료 채널(21)을 형성하고, 캐소드 세퍼레이터(220)는 캐소드 전극(13)을 향한 일면에 산화제 채널(22)을 형성한다. 세퍼레이터(20) 중 연료 채널(21)과 산화제 채널(22)이 형성된 영역을 유효 영역이라 한다. 애노드 세퍼레이터(210)와 캐소드 세퍼레이터(220)는 일체로 고정되며, 이를 바이폴라 플레이트라고도 한다.

세퍼레이터(20)의 유효 영역 외측과 이에 대응하는 지지 필름(14)에는 연료 입구 매니폴드(23), 연료 출구 매니폴드(24), 산화제 입구 매니폴드(25), 및 산화제 출구 매니폴드(26)가 형성된다. 연료 입구 매니폴드(23)와 연료 출구 매니폴드(24)는 각각 제1 엔드 플레이트(33)의 연료 주입구(331) 및 연료 배출구(333)와 같은 위치에 형성된다. 산화제 입구 매니폴드(25)와 산화제 출구 매니폴드(26)는 각각 제1 엔드 플레이트(33)의 산화제 주입구(332) 및 산화제 배출구(334)와 같은 위치에 형성된다.

연료 주입구(331)로 공급된 연료는 연료 입구 매니폴드(23)를 통해 세퍼레이터들(20)의 연료 채널(21)로 분산되어 막-전극 접합체들(10)의 애노드 전극(12)으로 동시에 공급된다. 산화제 주입구(332)로 공급된 산화제는 산화제 입구 매니폴드(25)를 통해 세퍼레이터들(20)의 산화제 채널(22)로 분산되어 막-전극 접합체들(10)의 캐소드 전극(13)으로 동시에 공급된다. 이로써 막-전극 접합체들(10)에서 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지가 생성된다.

그리고 막-전극 접합체들(10)의 전기화학적 반응에 사용되지 못한 미반응 연료는 연료 출구 매니폴드(24)를 거쳐 연료 배출구(333)를 통해 연료 전지 스택(100)의 외부로 배출된다. 막-전극 접합체들(10)의 전기화학적 반응에 사용되지 못한 미반응 산화제 및 전기화학적 반응의 부산물로서 발생한 수분은 산화제 출구 매니폴드(26)를 거쳐 산화제 배출구(334)를 통해 연료 전지 스택(100)의 외부로 배출된다.

이와 같이 연료 전지 스택(100)이 동작하는 과정에서 어느 하나의 막-전극 접합체(10)에 이상이 발생하면 연료 전지 스택(100) 전체의 성능이 저하되므로 문제가 발생한 막-전극 접합체를 교체해야 한다. 본 실시예의 연료 전지 스택(100)은 막-전극 접합체(10)의 교체를 쉽게 할 수 있도록 교체용 홀(36)과 오목부(37)를 형성한다. 교체용 홀(36)과 오목부(37)는 막-전극 접합체(10) 교체를 위한 외부 기기(교체 장치)를 일시 수용하여 외부 기기와 연료 전지 스택(100)을 결합시키는 역할을 한다.

도 4는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절개한 연료 전지 스택의 단면도이다. 도 4에서는 편의상 세퍼레이터에 형성된 연료 채널과 산화제 채널의 도시를 생략하였다.

도 2와 도 4를 참고하면, 전기 발생부(200), 제1 및 제2 집전판(31, 32), 제1 및 제2 엔드 플레이트(33, 34)에 교체용 홀(36)이 형성된다. 전기 발생부(200)에서 교체용 홀(36)은 세퍼레이터(20)의 유효 영역 외측과, 이에 대응하는 지지 필름(14)에 형성된다. 교체용 홀(36)은 연료 전지 스택(100)의 두께 방향을 따라 연료 전지 스택(100)을 관통하며, 연료 전지 스택(100)의 가장자리를 따라 복수개로 형성된다.

교체용 홀(36)은 연료 전지 스택(100)의 두 장변측 가장자리에 2개 이상, 그리고 두 단변측 가장자리에 1개 이상으로 형성될 수 있다. 도 2와 도 4에서는 연료 전지 스택(100)의 두 장변측 가장자리에 2개의 교체용 홀(36)이 형성되고, 두 단변측 가장자리에 한개의 교체용 홀(36)이 형성된 경우를 예로 들어 도시하였다.

오목부(37)는 각 세퍼레이터(20)의 측면에 형성되며, 각 세퍼레이터(20)의 일면에서 소정 깊이로 함몰 형성될 수 있다. 오목부(37)는 교체용 홀(36)과 세퍼레이터(20)의 측면을 잇도록 형성된다. 즉, 오목부(37)는 교체용 홀(36)에서부터 이와 가장 가까운 세퍼레이터(20)의 측면을 향해 직선으로 연장되어 연료 전지 스택(100)의 외부 공간과 교체용 홀(36)을 연결한다.

오목부(37)는 각 세퍼레이터(20)의 윗면 또는 아랫면에 형성되고, 사각형이나 원형 등 다양한 모양으로 형성될 수 있다. 도 2와 도 4에서는 각 세퍼레이터(20)의 아랫면에 사각형의 오목부(37)가 형성된 경우를 예로 들어 도시하였다.

도 5는 도 4에 도시한 연료 전지 스택과 본 발명의 제1 실시예에 따른 막-전극 접합체 교체 장치를 나타낸 단면도이다.

도 5를 참고하면, 제1 실시예의 막-전극 접합체 교체 장치(50)(이하 '교체 장치'라 한다)는 제1 볼트(51)와 제1 너트(52) 및 제1 고정핀(53)을 포함하는 제1 결합 부재(510)와, 제2 볼트(54)와 제2 너트(55) 및 제2 고정핀(56)을 포함하는 제2 결합 부재(520)를 포함한다. 교체 장치(50)는 교체용 홀(36)과 같은 개수로 구비되며, 하나의 교체용 홀(36)마다 제1 결합 부재(510)와 제2 결합 부재(520)가 제공된다.

제1 볼트(51)의 길이는 연료 전지 스택(100)의 두께와 같을 수 있고, 제2 볼트(54)의 길이는 제1 볼트(51) 길이의 절반일 수 있다. 제1 및 제2 볼트(51, 54)는 제1 및 제2 너트(52, 55)가 끼워지는 단부로부터 반대측 단부를 향한 외주면 일부에 나사산을 형성한다. 그리고 제1 및 제2 볼트(51, 54)는 나사산이 형성되지 않은 반대측 단부 근처에 제1 고정핀(53) 삽입을 위한 제1 개구부(511)와 제2 고정핀(56) 삽입을 위한 제2 개구부(541)를 각각 형성한다.

제1 개구부(511)와 제2 개구부(541)는 연료 전지 스택(100)에 구비된 오목부(37)와 나란하게 형성된다. 제1 고정핀(53)은 제1 개구부(511)의 길이와 오목부(37)의 길이를 더한 것보다 큰 길이로 형성되며, 제2 고정핀(56)은 제1 고정핀(53)과 같은 길이로 형성된다. 제1 볼트(51)와 제2 볼트(54)는 끼움 여유를 고려하여 교체용 홀(36)보다 약간 작은 크기로 형성되고, 제1 고정핀(53)과 제2 고정핀(56) 또한 끼움 여유를 고려하여 제1 개구부(511) 및 제2 개구부(541)보다 약간 작은 크기로 형성된다.

도 6과 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 교체 장치를 이용한 막-전극 접합체의 교체 과정을 나타낸 연료 전지 스택의 단면도이다. 설명의 편의를 위해 교체하고자 하는 막-전극 접합체(10)를 교체 대상(101)이라 하고, 교체 대상(101)의 일측과 타측에 위치하는 세퍼레이터를 각각 제1 세퍼레이터(230)와 제2 세퍼레이터(240)라 한다. 도면을 기준으로 할 때 제1 세퍼레이터(230)는 교체 대상(101)의 바로 위에 위치하고, 제2 세퍼레이터(240)는 교체 대상(101)의 바로 아래에 위치한다.

도 6과 도 7을 참고하면, 교체 대상(101)이 제2 엔드 플레이트(34)보다 제1 엔드 플레이트(33)에 가깝게 위치하는 경우, 제1 볼트(51)는 제2 엔드 플레이트(34)의 외측에서 교체용 홀(36)로 끼워진다. 제1 볼트(51)의 제1 개구부(511)가 제1 세퍼레이터(230)의 오목부(37)와 같은 위치에 도달하면, 제1 고정핀(53)은 오목부(37)를 통해 제1 개구부(511)에 삽입되어 제1 볼트(51)의 위치를 고정시킨다. 이어서 제1 너트(52)는 제2 엔드 플레이트(34)의 외면에 밀착될 때까지 조여진다.

그리고 제2 볼트(54)는 제1 엔드 플레이트(33)의 외측에서 교체용 홀(36)로 끼워진다. 제2 볼트(54)의 제2 개구부(541)가 제2 세퍼레이터(240)의 오목부(37)와 같은 위치에 도달하면, 제2 고정핀(56)은 오목부(37)를 통해 제2 개구부(541)에 삽입되어 제2 볼트(54)의 위치를 고정시킨다. 이어서 제2 너트(55)는 제1 엔드 플레이트(33)의 외면에 밀착될 때까지 조여진다.

따라서 연료 전지 스택(100) 중 교체 대상(101)의 일측(도면을 기준으로 상부)에 위치하는 부재들은 제1 결합 부재들(510)에 의해 일체로 조립되고, 교체 대상(101)의 타측(도면을 기준으로 하부)에 위치하는 부재들은 제2 결합 부재들(520)에 의해 일체로 조립된다. 이때, 제1 및 제2 결합 부재들(510, 520)이 연료 전지 스택(100)에 가하는 체결력은 체결 부재(40)가 연료 전지 스택(100)에 가하는 체결력과 동일하다.

이어서 체결 부재(40)(도 1 참조)의 고정 너트(42)가 결합 볼트(41)로 분리되고, 연료 전지 스택(100)은 3개의 파트로 나뉘어진다. 즉, 연료 전지 스택(100)은 제1 결합 부재들(510)에 의해 조립된 제1 파트(P100)와, 교체 대상(101)인 제2 파트(P200)와, 제2 결합 부재들(520)에 의해 조립된 제3 파트(P300)로 분리된다. 교체 대상(101)은 문제가 없는 새로운 막-전극 접합체로 대체되며, 연료 전지 스택(100)은 체결 부재(40)를 이용하여 재조립된다. 마지막으로 제1 결합 부재(510)와 제2 결합 부재(520)가 해체되어 연료 전지 스택(100)으로부터 분리된다.

교체 대상(101)이 제1 엔드 플레이트(33)보다 제2 엔드 플레이트(34)에 가깝게 위치하는 경우, 제1 볼트(51)는 제1 엔드 플레이트(33)의 외측에서 교체용 홀(36)로 끼워지고, 제2 볼트(54)는 제2 엔드 플레이트(34)의 외측에서 교체용 홀(36)로 끼워진다. 막-전극 접합체(10)의 교체 과정은 전술한 과정과 동일하게 이루어진다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 막-전극 접합체 교체 장치를 나타낸 단면도이다.

도 8을 참고하면, 제2 실시예의 교체 장치(550)는 제1 외측 볼트(571), 제1 내측 볼트(572), 제1 탄성 부재(573), 및 제3 고정핀(574)을 구비하는 제1 결합 부재(530)와, 제2 외측 볼트(581), 제2 내측 볼트(582), 제2 탄성 부재(583), 및 제4 고정핀(584)을 구비하는 제2 결합 부재(540)를 포함한다. 교체 장치(550)는 연료 전지 스택의 교체용 홀과 같은 개수로 구비되며, 하나의 교체용 홀마다 제1 결합 부재(530)와 제2 결합 부재(540)가 제공된다.

제1 내측 볼트(572)는 제1 외측 볼트(571)의 내부에 나사 결합되어 제1 내측 볼트(572)와 제1 외측 볼트(571)가 이중 볼트를 구성한다. 제2 내측 볼트(582)는 제2 외측 볼트(581)의 내부에 나사 결합되어 제2 내측 볼트(582)와 제2 외측 볼트(581)가 이중 볼트를 구성한다.

제1 외측 볼트(571)는 일측 단부 근처에 개구부를 형성하고, 이 개구부에 제1 탄성 부재(573)와 제3 고정핀(574)이 설치된다. 제2 외측 볼트(581) 또한 일측 단부 근처에 개구부를 형성하며, 이 개구부에 제2 탄성 부재(583)와 제4 고정핀(584)이 설치된다. 제1 외측 볼트(571)의 길이는 연료 전지 스택의 두께와 같을 수 있고, 제2 외측 볼트(581)의 길이는 제1 외측 볼트(571) 길이의 절반일 수 있다.

제1 외측 볼트(571)를 교체용 홀의 일부에 끼우고 제1 내측 볼트(572)를 조이면, 제1 내측 볼트(572)가 제3 고정핀(574)을 밀어 제3 고정핀(574)을 제1 외측 볼트(571)의 바깥으로 돌출시킨다. 제2 외측 볼트(581)를 교체용 홀의 나머지 일부에 끼우고 제2 내측 볼트(582)를 조이면, 제2 내측 볼트(582)가 제4 고정핀(584)을 밀어 제4 고정핀(584)을 제2 외측 볼트(581)의 바깥으로 돌출시킨다. 따라서 제3 고정핀(574)과 제4 고정핀(584)은 각각 전술한 제1 실시예의 제1 고정핀(53) 및 제2 고정핀(56)과 같은 역할을 수행한다.

막-전극 접합체 교체 후, 제1 외측 볼트(571)로부터 제1 내측 볼트(572)를 풀고, 제2 외측 볼트(581)로부터 제2 내측 볼트(582)를 풀면, 제3 고정핀(574)은 제1 탄성 부재(573)에 의해 원위치로 복귀하고, 제4 고정핀(584)도 제2 탄성 부재(583)에 의해 원위치로 복귀한다.

도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 막-전극 접합체 교체 장치를 나타낸 사시도이다.

도 9를 참고하면, 제3 실시예의 교체 장치(60)는 제5 고정핀들(61)과, 제5 고정핀들(61)과 결합되어 제5 고정핀들(61)을 전후진 이동시키는 제1 이동부(62)와, 제1 이동부(62)에 결합되어 제5 고정핀들(61)을 상하 방향으로 이동시키는 제2 이동부(63)를 포함한다. 여기서, 전후진 이동은 연료 전지 스택(100)으로부터 멀어지거나 가까워지는 방향을 의미하고, 상하 방향은 연료 전지 스택(100)의 두께 방향과 일치한다.

교체 장치(60)의 하부에는 연료 전지 스택(100)을 지지하는 하부 받침대(64)가 위치한다. 하부 받침대(64)에는 체결 부재(40)(도 1 참조)에 대응하는 위치에 관통 홀(65)이 형성되어 체결 부재(40)의 고정 너트(42)가 하부 받침대(64) 바깥으로 노출되도록 한다.

제1 이동부(62)는 지지 프레임(66)과, 지지 프레임(66) 위에 설치되며 제5 고정핀들(61) 각각을 지지하는 구동 실린더들(67)을 포함한다. 지지 프레임(66)의 내부 공간은 연료 전지 스택(100)의 폭보다 크며, 구동 실린더(67)와 제5 고정핀(61)의 위치는 연료 전지 스택(100)에 형성된 오목부(37)에 대응한다. 제5 고정핀(61)은 구동 실린더(67)의 작동으로 전후진 이동한다.

제2 이동부(63)는 하부 받침대(64) 위에 설치되며 지지 프레임(66)의 코너측 모서리를 관통하여 지지 프레임(66)에 결합되는 이송 스크류(68)와, 이송 스크류(68)의 단부에 설치된 기어 박스(69) 및 구동 모터(70)를 포함한다. 기어 박스(69)의 내부에는 이송 스크류(68)를 지지하는 베어링과 감속 기어가 설치된다.

지지 프레임(66)은 이송 스크류(68)의 회전 방향에 따라 상승 또는 하강하여 제5 고정핀들(61)을 상하 방향으로 이동시킨다. 이때, 지지 프레임(66)의 상하 이동을 원활하게 가이드할 수 있도록 하부 받침대(64) 위에 가이드 바(71)가 수직으로 설치될 수 있다. 그리고 지지 프레임(66)의 내측에는 소정의 슬라이드 여유를 두고 가이드 바를 수용하는 가이드 홈(72)이 형성된다.

도 10과 도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 교체 장치를 이용한 막-전극 접합체의 교체 과정을 나타낸 연료 전지 스택의 단면도이다.

도 9 내지 도 11을 참고하면, 이송 스크류(68)는 구동 모터(70)의 작동으로 회전하여 지지 프레임(66)을 이동시킨다. 제5 고정핀들(61)이 제1 세퍼레이터(230)의 오목부(37)와 같은 위치일 때 지지 프레임(66)의 이동이 멈춘다. 이어서 구동 실린더들(67)의 작동으로 제5 고정핀들(61)이 연료 전지 스택(100)을 향해 전진하여 제1 세퍼레이터(230)의 오목부(37)에 끼워진다.

다음으로, 체결 부재(40)가 연료 전지 스택(100)으로부터 분리되고, 지지 프레임(66)이 다시 상승하여 연료 전지 스택(100) 중 제2 엔드 플레이트(34)에서 제1 세퍼레이터(230)에 이르는 부분을 들어올린다. 그러면 제2 세퍼레이터(240) 위에 놓여진 교체 대상(101)이 드러나며, 교체 대상(101)은 새로운 막-전극 접합체로 대체된다. 막-전극 접합체(10) 교체 후 지지 프레임(66)은 하강하고, 연료 전지 스택(100)은 체결 부재(40)에 의해 재조립된다. 그리고 제5 고정핀들(61)이 연료 전지 스택(100)으로부터 후진 이동하면 막-전극 접합체(10)의 교체 과정이 완료된다.

제3 실시예의 교체 장치(60)를 사용하는 경우, 연료 전지 스택(100)은 교체용 홀(36)을 형성하지 않아도 무방하다. 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택의 사시도이다. 도 12를 참고하면, 제2 실시예의 연료 전지 스택(110)은 교체용 홀이 없는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 연료 전지 스택과 동일한 구성으로 이루어진다. 즉, 제2 실시예의 연료 전지 스택(110)은 각 세퍼레이터(20)의 측면에서 세퍼레이터(20)의 내부를 향해 연장된 복수의 오목부(37)를 형성한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100, 110: 연료 전지 스택 10: 막-전극 접합체
20: 세퍼레이터 210: 애노드 세퍼레이터
21: 연료 채널 220: 캐소드 세퍼레이터
22: 산화제 채널 31: 제1 집전판
32: 제2 집전판 33: 제1 엔드 플레이트
34: 제2 엔드 플레이트 35: 체결용 홀
36: 교체용 홀 37: 오목부
40: 체결 부재 41: 결합 볼트
42: 고정 너트 50, 550, 60: 교체 장치
510, 530: 제1 결합 부재 520, 540: 제2 결합 부재

Claims

막-전극 접합체들과, 상기 막-전극 접합체들의 사이에 위치하는 세퍼레이터들을 포함하는 전기 발생부; 및
상기 전기 발생부의 외측에 위치하며, 체결 부재에 의해 일체로 조립되어 상기 전기 발생부를 지지하는 한 쌍의 엔드 플레이트
를 포함하고,
상기 세퍼레이터들은 그 측면에 교체용 외부 기기를 수용하기 위한 오목부들을 형성하고,
상기 전기 발생부와 상기 한 쌍의 엔드 플레이트는 상기 교체용 외부 기기를 수용하기 위한 복수의 교체용 홀을 두께 방향과 나란하게 형성하며, 상기 복수의 교체용 홀 각각은 상기 오목부들과 이어지는 연료 전지 스택.
제1항에 있어서,
상기 세퍼레이터는 일면에 연료 채널을 형성하고, 다른 일면에 산화제 채널을 형성하며, 상기 오목부들은 상기 세퍼레이터의 어느 일면에 위치하는 연료 전지 스택.
제2항에 있어서,
상기 연료 채널과 상기 산화제 채널은 상기 세퍼레이터의 유효 영역에 위치하고, 상기 오목부들은 상기 유효 영역의 바깥에 위치하는 연료 전지 스택.
제1항에 있어서,
상기 세퍼레이터는 장방형으로 형성되고, 상기 오목부들 중 두 개 이상이 상기 세퍼레이터의 두 장변측 가장자리에 위치하며, 상기 오목부들 중 한 개 이상이 상기 세퍼레이터의 두 단변측 가장자리에 위치하는 연료 전지 스택.
삭제
한 쌍의 엔드 플레이트와 막-전극 접합체들 및 세퍼레이터들을 관통하는 교체용 홀들과, 상기 세퍼레이터들의 측면에서 상기 교체용 홀을 향해 연장된 오목부들을 형성한 연료 전지 스택의 막-전극 접합체 교체 장치에 있어서,
상기 교체용 홀의 일부에 삽입되어 상기 연료 전지 스택 중 교체 대상의 일측에 위치하는 부재들과 체결되는 제1 결합 부재; 및
상기 교체용 홀의 나머지 일부에 삽입되어 상기 연료 전지 스택 중 교체 대상의 타측에 위치하는 부재들과 체결되는 제2 결합 부재
를 포함하는 막-전극 접합체 교체 장치.
제6항에 있어서,
상기 제1 결합 부재는, 상기 교체용 홀의 일부에 끼워지며 일측 단부 근처에 제1 개구부를 형성하는 제1 볼트와, 상기 세퍼레이터들 중 교체 대상의 일측에 위치하는 세퍼레이터의 오목부를 통해 상기 제1 개구부에 삽입되는 제1 고정핀과, 상기 제1 볼트에 체결되는 제1 너트를 포함하고,
상기 제2 결합 부재는, 상기 교체용 홀의 나머지 일부에 끼워지며 일측 단부 근처에 제2 개구부를 형성하는 제2 볼트와, 상기 세퍼레이터들 중 교체 대상의 타측에 위치하는 세퍼레이터의 오목부를 통해 상기 제2 개구부에 삽입되는 제2 고정핀과, 상기 제2 볼트에 체결되는 제2 너트를 포함하는 막-전극 접합체 교체 장치.
제7항에 있어서,
상기 제1 고정핀의 길이는 상기 제1 개구부의 길이와 상기 오목부의 길이를 더한 것보다 크고, 상기 제2 고정핀의 길이는 상기 제1 고정핀의 길이와 동일한 막-전극 접합체 교체 장치.
제8항에 있어서,
상기 제2 볼트는 상기 제1 볼트보다 작은 길이로 형성되는 막-전극 접합체 교체 장치.
제9항에 있어서,
상기 제1 볼트의 길이는 상기 연료 전지 스택의 두께와 동일하고, 상기 제2 볼트의 길이는 상기 제1 볼트 길이의 절반인 막-전극 접합체 교체 장치.
제6항에 있어서,
상기 제1 결합 부재는, 상기 교체용 홀의 일부에 끼워지는 제1 외측 볼트와, 상기 제1 외측 볼트의 내부에 나사 결합되는 제1 내측 볼트와, 제1 탄성 부재에 의해 상기 제1 외측 볼트의 일측 단부 근처에 설치되는 제3 고정핀을 포함하고,
상기 제2 결합 부재는, 상기 교체용 홀의 나머지 일부에 끼워지는 제2 외측 볼트와, 상기 제2 외측 볼트의 내부에 나사 결합되는 제2 내측 볼트와, 제2 탄성 부재에 의해 상기 제2 외측 볼트의 일측 단부 근처에 설치되는 제4 고정핀을 포함하는 막-전극 접합체 교체 장치.
제11항에 있어서,
상기 제2 외측 볼트는 상기 제1 외측 볼트보다 작은 길이로 형성되는 막-전극 접합체 교체 장치.
제12항에 있어서,
상기 제1 외측 볼트의 길이는 상기 연료 전지 스택의 두께와 동일하고, 상기 제2 외측 볼트의 길이는 상기 제1 외측 볼트 길이의 절반인 막-전극 접합체 교체 장치.
막-전극 접합체들의 사이에 위치하는 세퍼레이터들의 측면에 오목부들을 형성한 연료 전지 스택의 막-전극 접합체 교체 장치에 있어서,
상기 연료 전지 스택의 외측에서 상기 오목부들과 마주하도록 위치하는 제5 고정핀들;
상기 제5 고정핀들에 결합되며 상기 연료 전지 스택을 향해 상기 제5 고정핀들을 전진 또는 후진 이동시키는 제1 이동부; 및
상기 제1 이동부에 결합되며 상기 연료 전지 스택의 두께 방향을 따라 상기 제5 고정핀들을 이동시키는 제2 이동부
를 포함하는 막-전극 접합체 교체 장치.
제14항에 있어서,
상기 제1 이동부는 지지 프레임과, 상기 지지 프레임 위에 설치되며 상기 제5 고정핀들 각각을 지지하는 구동 실린더들을 포함하는 막-전극 접합체 교체 장치.
제15항에 있어서,
상기 제2 이동부는 상기 지지 프레임을 관통하여 상기 지지 프레임과 결합되는 이송 스크류와, 상기 이송 스크류와 결합되어 상기 이송 스크류를 회전시키는 구동 모터를 포함하는 막-전극 접합체 교체 장치.
제16항에 있어서,
상기 이송 스크류는 하부 받침대 위에 수직으로 설치되고, 상기 막-전극 접합체 교체 장치는 상기 하부 받침대 위에 설치되어 상기 지지 프레임의 이동을 가이드하는 가이드 바를 더 포함하는 막-전극 접합체 교체 장치.
제17항에 있어서,
상기 지지 프레임은 그 내측에 상기 가이드 바를 수용하는 가이드 홈을 형성하는 막-전극 접합체 교체 장치.