KR20220075900A - 연료 전지 스택 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기에너지를 제공하는 연료 전지 스택에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 산소와 수소의 화학적 반응을 하고, 서로 적층되는 복수 개의 막 전극 집합체, 서로 적층된 상기 복수 개의 막 전극 집합체 중 하나의 막 전극 집합체와 다른 하나의 막 전극 집합체의 사이 마다 적층되는 세퍼레이터, 서로 적층된 복수 개의 상기 막 전극 집합체와 상기 세퍼레이터를 관통하여 체결하는 복수 개의 체결부를 포함하며, 상기 체결부는 길이를 따라 서로 소정거리 이격되게 오목하게 형성된 복수 개의 삽입홀을 포함하고, 상기 세퍼레이터는 상기 삽입홀에서부터 외부로 연통하게 절개된 절개부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 산소와 수소의 화학적 반응을 하고, 서로 적층되는 복수 개의 막 전극 집합체, 서로 적층된 상기 복수 개의 막 전극 집합체 중 하나의 막 전극 집합체와 다른 하나의 막 전극 집합체의 사이 마다 적층되는 세퍼레이터, 서로 적층된 복수 개의 상기 막 전극 집합체와 상기 세퍼레이터를 관통하여 체결하는 복수 개의 체결부를 포함하며, 상기 체결부는 길이를 따라 서로 소정거리 이격되게 오목하게 형성된 복수 개의 삽입홀을 포함하고, 상기 세퍼레이터는 상기 삽입홀에서부터 외부로 연통하게 절개된 절개부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 전기에너지를 제공하는 연료 전지 스택에 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 연료전지는 액체 또는 기체 상태의 탄화수소계 연료를 사용하며, 고분자 전해질형 연료 전지는 순수 수소 또는 수소가 풍부한 개질 가스를 연료로 사용한다.
일본 공개특허공보 특개2020-177746호에는 종래의 연료전지 스택 및 연료전지 스택의 제조 방법에 대해 기재하고 있다.
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.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 스택에서 막 전극 접합체를 교체하기 쉽게 하는 연료 전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은 산소와 수소의 화학적 반응을 하고, 서로 적층되는 복수 개의 막 전극 집합체, 서로 적층된 상기 복수 개의 막 전극 집합체 중 하나의 막 전극 집합체와 다른 하나의 막 전극 집합체의 사이 마다 적층되는 세퍼레이터, 서로 적층된 복수 개의 상기 막 전극 집합체와 상기 세퍼레이터를 관통하여 체결하는 복수 개의 체결부를 포함하며, 상기 체결부는 길이를 따라 서로 소정거리 이격되게 오목하게 형성된 복수 개의 삽입홀을 포함하고, 상기 세퍼레이터는 상기 삽입홀에서부터 외부로 연통하게 절개된 절개부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 절개부를 통해 상기 삽입홀에 삽입되는 교체핀을 더 포함할 수 있다.
상기 세퍼레이터는 복수 개이고, 상기 삽입홀은 상기 복수 개의 세퍼레이터의 절개부에 대응하게 상기 체결부에 오목하게 형성될 수 있다.
상기 복수 개의 세퍼레이터는 상기 절개부를 서로 동일한 방향에 형성할 수 있다.
상기 복수 개의 세퍼레이터는 상기 절개부를 서로 다른 방향에 형성할 수 있다.
적층된 상기 복수 개의 세퍼레이터는 가장 인접한 세퍼레이터끼리 상기 절개부를 서로 엇갈리는 방향으로 형성할 수 있다.
상기 복수 개의 세퍼레이터는 각각 상기 절개부를 서로 다른 측부에 복수 개로 형성할 수 있다.
상기 절개부는 필름, 보호제 중 어느 하나 이상을 코팅할 수 있다.
서로 적층된 복수 개의 상기 막 전극 집합체의 최상위에 적층되는 상부 앤드플레이트와 서로 적층된 복수 개의 상기 막 전극 집합체의 최하위에 적층되는 하부 앤드 플레이트를 더 포함하고, 상기 체결부는 복수 개이고, 상기 복수 개의 체결부 중 일부는 상기 상부 앤드 플레이트 측으로 관통 삽입되고, 상기 복수 개의 체결부 중 다른 일부는 상기 하부 앤드 플레이트 측으로 관통 삽입될 수 있다.
상기 삽입홀에 볼록하게 형성된 복수 개의 돌기부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 별도의 장치를 사용하지 않고 스택에서 막 전극 접합체를 쉽게 교체할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 정상의 막 전극 조립체의 손상 없이 문제가 있는 막 전극 조립체 만을 분리하여 교체할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에서 일부 막 전극 접합체를 분해하여 도시한 일부 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터 만을 평면에서 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 막 전극 접합체와 세퍼레이터를 적층하여 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 체결부의 주요부를 확대하여 도시한 일부 확대도이다.
도 2는 도 1에서 일부 막 전극 접합체를 분해하여 도시한 일부 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터 만을 평면에서 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 막 전극 접합체와 세퍼레이터를 적층하여 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 체결부의 주요부를 확대하여 도시한 일부 확대도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지 스택에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에서 일부 막 전극 접합체를 분해하여 도시한 일부 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은 산소와 수소의 화학적 반응을 하고, 서로 적층되는 복수 개의 막 전극 집합체(100), 서로 적층된 상기 복수 개의 막 전극 집합체(100) 중 하나의 막 전극 집합체(100)와 다른 하나의 막 전극 집합체(100)의 사이 마다 적층되는 세퍼레이터(200), 서로 적층된 복수 개의 상기 막 전극 집합체(100)와 상기 세퍼레이터(200)를 관통하여 체결하는 복수 개의 체결부(300)를 포함한다. 그리고 상기 체결부(300)는 길이를 따라 서로 소정거리 이격되게 오목하게 형성된 복수 개의 삽입홀(310)을 포함하고 상기 세퍼레이터(200)는 상기 삽입홀(310)에서부터 외부로 연통하게 절개된 절개부(210)를 포함한다.
연료전지에 공급된 수소는 음극에서 전자를 내어놓고 산소는 양극에서 전자를 내어놓으며 이온이 되고 내어진 전자는 외부로 빠져나가 전류가 된다. 이러한 반응이 일어나는 곳이 막 전극 집합체(100)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터 만을 평면에서 도시한 평면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 세퍼레이터(200)는 복수 개로 적층된 막 전극 집합체(100)의 사이사이 마다 적층될 수 있다
세퍼레이터(200)는 체결부(300)의 삽입홀(310)과 연통하는 절개부(210)를 형성하고 외부에서 절개부(210)를 통해 교체핀(400)을 삽입홀(310)에 끼움 결합하게 할 수 있다.
교체핀(400)이 삽입홀(310)에 끼움 결합하면, 교체핀(400)에 의해 연료 전지 스택을 상부와 하부로 분리하여 고정할 수 있고 교체핀(400)에 의해 상부와 하부로 분리하여 고정된 연료 전지 스택의 사이에 적층된 막 전극 집합체(100)만을 쉽게 분리하여 교체할 수 있다.
즉, 체결부(300)의 삽입홀(310)은 적층된 복수 개의 세퍼레이터(200)의 절개부(210)에 대응하게 체결부(300)의 길이를 따라 복수 개로 오목하게 형성되고 적층된 막 전극 집합체(100) 중에서 교체해야할 막 막 전극 집합체(100)의 상측과 하측에 적층된 세퍼레이터(200)의 절개부(210)를 통해 삽입홀(310)에 교체핀(400)을 끼움 결합할 수 있다. 그리고 상부와 하부의 정상적인 막 전극 집합체(100) 만을 분리하여 문제가 있는 막 전극 집합체(100) 만을 쉽게 교체할 수 있다.
체결부(300)는 볼트 등과 같은 체결부재일 수 있고, 전극 집합체(100)에는 체결부(300)가 관통할 수 있는 전극홀(101)을 테두리 및 모서리부 등에 복수 개로 천공할 수 있다.
또한, 세퍼레이터(200)는 체결부(300)가 관통할 수 있는 분리막홀(201)을 테두리 및 모서리부 등에 복수 개로 천공하되 분리막홀(201)은 전극홀(101)과 대응되게 형성되어 체결부(300)가 전극홀(101)과 함께 분리막홀(201)을 관통할 수 있다.
서로 적층된 복수 개의 막 전극 집합체(100)의 최상위에 적층되는 상부 앤드 플레이트(10)와 서로 적층된 복수 개의 막 전극 집합체(100)의 최하위에 적층되는 하부 앤드 플레이트(20)를 포함할 수 있다.
체결부(300)는 복수 개이고 복수 개의 체결부(300) 중 일부는 상부 앤드 플레이트(10) 측으로 관통 삽입 고정되고, 복수 개의 체결부(300) 중 다른 일부는 하부 앤드 플레이트(20) 측으로 관통 삽입될 수 있다.
즉 적층된 복수 개의 막 전극 집합체(100)를 체결부(300)가 상측과 하측에서 각각 체결하여 견고하게 고정되도록 체결력을 높일 수 있다.
세퍼레이터(200)의 절개부(210)는 분리막홀(201)과 연통하게 형성될 수 있다.
절개부(210)는 필름, 보호제 등 중 어느 하나 이상을 표면에 코팅하여 내구성을 증강할 수 있다.
체결부(300)의 삽입홀(310)은 적층된 복수 개의 세퍼레이이터(200)의 절개부(210)에 대응하게 체결부(300)의 길이를 따라 복수 개로 형성될 수 있다.
적층된 복수 개의 세퍼레이터(200)는 일측부에 형성된 절개부(210)를 서로 동일한 방향으로 형성할 수 있다. 그리고 적층된 복수 개의 세퍼레이터(200)는 일측부에 형성된 절개부(210)를 복수 개의 세퍼레이터(200)가 적층된 방향을 기준으로 동일 수직선상에 나란하게 위치하게 할 수 있다.
또한, 적층된 복수 개의 세퍼레이터(200)는 타측부에 형성된 절개부(210)를 서로 동일한 방향으로 형성할 수 있다. 그리고 적층된 복수 개의 세퍼레이터(200)는 타측부에 형성된 절개부(210)를 복수 개의 세퍼레이터(200)가 적층된 방향을 기준으로 동일 수직선상에 나란하게 위치하게 할 수 있다.
이와 같이 적층된 복수 개의 세퍼레이터(200)가 일측부에 형성된 절개부(210)를 동일한 방향으로 형성하고 타측부에 형성된 절개부(210)를 동일한 방향에 형성하면 제조를 쉽게 할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 다른 실시예의 연료 전지 스택에 따르면 적층된 복수 개의 세퍼레이터(200)는 절개부(210)를 서로 다른 방향에 형성할 수 있다.
즉, 적층된 복수 개의 세퍼레이터(200) 중 하나의 세퍼레이터(200)는 절개부(210)를 전방부에 형성하고, 다른 하나의 세퍼레이터(200)는 절개부(210)를 좌측부에 형성하고, 또 다른 하나의 세퍼레이터(200)는 절개부(210)를 후방부에 형성하고, 또 다른 하나의 세퍼레이터(200)는 절개부(210)를 후측부에 형성하는 방식으로 적층된 복수 개의 세퍼레이터(200)는 절개부(210)를 각각 서로 다른 방향에 형성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예의 연료 전지 스택에 따르면 적층된 복수 개의 세퍼레이터(200)는 가장 인접한 세퍼레이터(200)끼리 절개부를 서로 엇갈리는 방향으로 형성할 수 있다.
즉, 적층된 복수 개의 세퍼레이터(200) 중 적층된 순서대로 제1 세퍼레이터(200a), 제2 세퍼레이터(200b), 제3 세퍼레이터(200c) 및 제 4 세퍼레이터(200d)로 구분할 수 있다. 그리고 제1 세퍼레이터(200a)와 제3 세퍼레이터(200c)의 절개부(210)는 제1 세퍼레이터(200a)와 제3 세퍼레이터(200c)를 적층한 방향을 기준으로 동일 수직선 상에 위치하게 동일한 방향에 형성되고, 제2 세퍼레이터(200b)와 제4 세퍼레이터(200d)는 제2 세퍼레이터(200b)와 제4 세퍼레이터(200d)를 적층한 방향을 기준으로 동일 수직선 상에 위치하게 동일한 방향에 형성될 수 있다. 여기서 제1 세퍼레이터(200a)와 제3 세퍼레이터(200c)의 절개부(210)와 제2 세퍼레이터(200b)와 제4 세퍼레이터(200d)의 절개부(210)는 서로 엇갈리는 방향에 형성될 수 있다. 일 실시예를 들어 설명하면 제1 세퍼레이터(200a)와 제3 세퍼레이터(200c)는 전면부와 배면부에 절개부(210)를 형성할 수 있고, 제2 세퍼레이터(200b)와 제4 세퍼레이터(200d)는 좌측면부와 우측면부에 절개부(210)를 형성할 수 있다. 그리고 체결부(300)에 형성된 삽입홀(310)은 각 세퍼레이터(200)의 절개부(210)에 대응하게 형성될 수 있다.
이와 같이 적층된 복수 개의 세퍼레이터(200)가 절개부(210)를 서로 다른 방향에 형성하면 체결부(300)의 길이를 따라 형성되는 복수 개의 삽입홀(310)을 교차하며 엇갈리는 방향으로 형성할 수 있어 체결부(300)의 손상을 최소화하고 강성을 높일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예의 연료 전지 스택에 따르면 복수 개의 세퍼레이터(200)는 각각 절개부(210)를 서로 다른 측부에 복수 개로 형성할 수 있다.
즉, 세퍼레이터(200)는 전방부와 좌측부와 우측부와 후측부에 각각 절개부(210)를 형성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 체결부의 주요부를 확대하여 도시한 일부 확대도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 체결부(300)는 삽입홀(310)에 볼록한 복수 개의 돌기부(311)를 형성할 수 있다.
복수 개의 돌기부(311)는 체결부(300)의 삽입홀(310)에 삽입되는 교체핀(400)의 마찰 계수를 높여 막 전극 집합체(100)의 교체 작업 중 교체핀(400)이 삽입홀(310)로부터 임의로 이탈하여 발생할 수 있는 사고 및 작업 실수를 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 별도의 장치를 사용하지 않고 스택에서 막 전극 접합체를 쉽게 교체할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 정상의 막 전극 조립체의 손상 없이 문제가 있는 막 전극 조립체 만을 분리하여 교체할 수 있는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 연료 전지 스택을 예시된 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 실시가 가능하다.
10: 상부 앤드 플레이트
20: 하부 앤드 플레이트
100: 막 전극 집합체
101: 전극홀
200: 세퍼레이터
200a: 제1 세퍼레이터
200b: 제2 세퍼레이터
200c: 제3 세퍼레이터
200d: 제4 세퍼레이터
201: 분리막홀
210: 절개부
300: 체결부
310: 삽입홀
311: 돌기부
400: 교체핀
20: 하부 앤드 플레이트
100: 막 전극 집합체
101: 전극홀
200: 세퍼레이터
200a: 제1 세퍼레이터
200b: 제2 세퍼레이터
200c: 제3 세퍼레이터
200d: 제4 세퍼레이터
201: 분리막홀
210: 절개부
300: 체결부
310: 삽입홀
311: 돌기부
400: 교체핀
Claims (10)
- 산소와 수소의 화학적 반응을 하고, 서로 적층되는 복수 개의 막 전극 집합체;
서로 적층된 상기 복수 개의 막 전극 집합체 중 하나의 막 전극 집합체와 다른 하나의 막 전극 집합체의 사이 마다 적층되는 세퍼레이터;
서로 적층된 복수 개의 상기 막 전극 집합체와 상기 세퍼레이터를 관통하여 체결하는 복수 개의 체결부; 를 포함하며,
상기 체결부는 길이를 따라 서로 소정거리 이격되게 오목하게 형성된 복수 개의 삽입홀을 포함하고,
상기 세퍼레이터는 상기 삽입홀에서부터 외부로 연통하게 절개된 절개부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택. - 청구항 1에 있어서,
상기 절개부를 통해 상기 삽입홀에 삽입되는 교체핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택. - 청구항 1에 있어서,
상기 세퍼레이터는 복수 개이고,
상기 삽입홀은 상기 복수 개의 세퍼레이터의 절개부에 대응하게 상기 체결부에 오목하게 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택. - 청구항 3에 있어서,
상기 복수 개의 세퍼레이터는 상기 절개부를 서로 동일한 방향에 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택. - 청구항 3에 있어서,
상기 복수 개의 세퍼레이터는 상기 절개부를 서로 다른 방향에 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택. - 청구항 3에 있어서,
적층된 상기 복수 개의 세퍼레이터는 가장 인접한 세퍼레이터끼리 상기 절개부를 서로 엇갈리는 방향으로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택. - 청구항 1에 있어서,
상기 복수 개의 세퍼레이터는 각각 상기 절개부를 서로 다른 측부에 복수 개로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택. - 청구항 1에 있어서,
상기 절개부는 코팅되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택. - 청구항 1에 있어서,
서로 적층된 복수 개의 상기 막 전극 집합체의 최상위에 적층되는 상부 앤드플레이트와
서로 적층된 복수 개의 상기 막 전극 집합체의 최하위에 적층되는 하부 앤드 플레이트를 더 포함하고,
상기 체결부는 복수 개이고,
상기 복수 개의 체결부 중 일부는 상기 상부 앤드 플레이트 측으로 관통 삽입되고,
상기 복수 개의 체결부 중 다른 일부는 상기 하부 앤드 플레이트 측으로 관통 삽입되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택. - 청구항 1에 있어서,
상기 삽입홀에 볼록하게 형성된 복수 개의 돌기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200164501A KR20220075900A (ko) | 2020-11-30 | 2020-11-30 | 연료 전지 스택 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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|---|---|---|---|
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