KR100710274B1 - Fastening Structure of Fuel Cell Stack - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 스택의 체결구조에 관한 것으로서, 다수의 분리판 사이에 다수의 막-전극 어셈블리를 적층한 연료전지 스택을 보다 안정적이고 편리하게 체결하기 위한 연료전지 스택의 체결구조에 관한 것이다.The present invention relates to a fastening structure of a fuel cell stack, and more particularly to a fastening structure of a fuel cell stack for fastening a fuel cell stack in which a plurality of membrane-electrode assemblies are stacked between a plurality of separator plates.
종래 연료전지 스택의 채결구조는 엔드 플레이트의 특정 위치에서 국부적인 압력이 가해지기 때문에 균일한 면압을 유지할 수 없고, 분리판의 파손과 막-전극 어셈블리의 손상을 초래하며, 각각 다수의 너트를 개별적으로 조립하여야 하는 불편함이 있었다.In the conventional fuel cell stack, the squeezing structure cannot maintain uniform surface pressure because local pressure is applied at a specific position of the end plate, resulting in breakage of the separator plate and damage of the membrane-electrode assembly, and each nut is individually There was an inconvenience to be assembled.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 엔드 플레이트의 가운데에 구동기어로서 중심기어를 두고, 너트인 연결나사를 중심기어와 맞물리록 하여 종동기어로서 기능할 수 있도록 체결구조를 설계하였다. 따라서 중심기어만을 회전시킴으로써 이와 맞물려 결합된 나머지 나사기어들도 함께 회전하기 때문에 균일한 면압을 유지할 수 있다.The present invention has been made to solve this problem, the center gear as a drive gear in the center of the end plate, and designed the fastening structure to function as a driven gear by engaging the connection screw which is a nut with the center gear. . Therefore, by rotating only the center gear, the remaining screw gears engaged with and engaged with each other also rotate together to maintain a uniform surface pressure.
연료전지, MEA, 분리판, 면압, 균일, 기어, 볼트, 너트 Fuel Cell, MEA, Separator, Surface Pressure, Uniform, Gear, Bolt, Nut
Description
도 1은 종래의 연료전지 스택의 체결구조의 일례를 나타내는 사시도이다.1 is a perspective view showing an example of a fastening structure of a conventional fuel cell stack.
도 2는 종래의 연료전지 스택의 체결구조의 일례의 단면을 나타내는 도면이다.2 is a view showing a cross section of an example of a fastening structure of a conventional fuel cell stack.
도 3(a) 및 도 3(b)는 종래의 연료전지 스택의 엔드 플레이트 상에 구비되는 너트들의 배열례를 나타내는 도면이다.3 (a) and 3 (b) are diagrams showing an arrangement example of nuts provided on the end plate of the conventional fuel cell stack.
도 4는 본 발명에 따른 엔드 플레이트 상의 중심기어와 나사기어의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다다.4 is a view schematically showing an example of the configuration of the center gear and the screw gear on the end plate according to the present invention.
도 5는 도 4의 사시도이다.5 is a perspective view of FIG. 4.
도 6(a) 내지 도 6(c)는 본 발명의 중심기어와 나사기어의 연결례를 나타내는 도면이다.6 (a) to 6 (c) are diagrams showing an example of connecting the center gear and the screw gear of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 엔드 플레이트1: end plate
2, 3 : 관통 홀2, 3: through hole
4 : 볼트4: Bolt
5 : 엔드플레이트 캐비티5: End Plate Cavity
6 : 너트, 나사기어6: Nut, Screw Gear
7 : 분리판7: separator
8 : 막-전극 어셈블리8: membrane-electrode assembly
10 : 중심기어10: center gear
11 : 렌치 연결부11: wrench connection
100 : 연료전지 스택100: fuel cell stack
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 돋구기 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 도면의 구체적인 형상에 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아님을 첨언한다.※ The accompanying drawings reveal that they are illustrated as a reference to enhance the understanding of the technical idea of the present invention, and adds that the scope of the present invention is not limited to the specific shape of the drawings.
본 발명은 연료전지 스택의 체결구조에 관한 것으로서, 다수의 분리판 사이에 다수의 막-전극 어셈블리를 적층한 연료전지 스택을 보다 안정적이고 편리하게 체결하기 위한 연료전지 스택의 체결구조에 관한 것이다.The present invention relates to a fastening structure of a fuel cell stack, and more particularly to a fastening structure of a fuel cell stack for fastening a fuel cell stack in which a plurality of membrane-electrode assemblies are stacked between a plurality of separator plates.
연료전지는 메탄올이나 수소 등의 화학연료를 전기에너지로 직접 바꾸는 고효율, 무공해, 무소음의 첨단 발전기술로서, 기존의 내연기관에 비해 1.5배 이상의 에너지 변환 효율을 갖고 있을 뿐만 아니라 유독한 대기오염 물질을 전혀 배출하지 않는 장점이 있다. 특히 고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서 100℃ 미만의 온도에서 작동되며 구조가 간단하여 차량의 동력원으로서 적합한 시스템이다. 빠른 시동과 응답 특성, 우수한 내 구성을 가지고 있으며 연료로는 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 개질하여 사용할 수 있어 연료의 수송 및 저장에도 용이하다는 장점이 있다.Fuel cell is a high-efficiency, pollution-free and noise-free advanced power generation technology that directly converts chemical fuels such as methanol and hydrogen into electrical energy, and has more than 1.5 times more energy conversion efficiency than existing internal combustion engines. It has the advantage of not emitting at all. In particular, the polymer electrolyte fuel cell is a high output fuel cell having a higher current density than other types of fuel cells. The polymer electrolyte fuel cell operates at a temperature of less than 100 ° C., and has a simple structure and is suitable as a power source of a vehicle. It has fast start-up and response characteristics and excellent durability, and has the advantage of being easy to transport and store fuel as it can use methanol or natural gas in addition to hydrogen.
연료전지는 수소의 산화반응으로 수소이온과 전자가 생성되는 산화전극과, 공기의 환원반응으로 물이 생성되는 환원전극과, 수소전극에서 발생한 수소이온은 환원전극으로 전달하는 전해질로 구성된다. 산화전극과 환원전극의 사이에 전해질 층을 위치시킨 형태를 막-전극 어셈블리(MEA)라고 지칭하며, 이 막-전극 어셈블리가 분리판과 분리판 사이에 위치하여 단위전지를 이룬다. The fuel cell is composed of an anode in which hydrogen ions and electrons are generated by the oxidation of hydrogen, a cathode in which water is generated by the reduction of air, and an electrolyte in which hydrogen ions generated from the hydrogen electrode are delivered to the cathode. The type of the electrolyte layer disposed between the anode and the cathode is called a membrane-electrode assembly (MEA), and the membrane-electrode assembly is disposed between the separator and the separator to form a unit cell.
MEA 1개의 이론적인 전압은 약 1.2V이며 실제 운전시에는 1V 이하의 전압을 나타낸다. 따라서 자동차 또는 이동용 전원으로 사용될 수 있을 만큼 전력을 생산하려면 다수의 MEA를 적층하여 연료전지 스택(STACK)을 구성해야 한다. 일반적으로 하나의 연료전지 스택에는 MEA가 10, 20, 50 또는 100개 이상 적층된다.The theoretical voltage of one MEA is about 1.2V and in actual operation it is less than 1V. Therefore, to produce power enough to be used as a vehicle or mobile power source, a plurality of MEAs must be stacked to form a fuel cell stack (STACK). Typically, 10, 20, 50 or 100 or more MEAs are stacked in one fuel cell stack.
분리판(바이폴라플레이트)은 주로 흑연-고분자 복합재료로 만들어지며, 전극에서 화학반응이 일어나도록 가스의 이동로가 새겨져 있으며, 이 이동로를 통해서 가스가 흐르고 전극의 가스확산층으로 이동하여, 전극의 촉매층에서 전기화학반응이 일어나게 된다.The separation plate (bipolar plate) is mainly made of graphite-polymer composite material, and is engraved with the gas flow path for chemical reaction in the electrode, through which the gas flows and moves to the gas diffusion layer of the electrode, An electrochemical reaction occurs in the catalyst layer of.
그리고 분리판과 분리판 사이에 막-전극 어셈블리를 적층할 때에 가스켓을 이용하여 공급가스가 새어나가지 않도록 틈새를 봉인한다. 전기화학반응에 의하여 발생한 전류는 전기도체인 분리판을 통하여 흐르게 되며, 마지막으로 그 분리판에서 전기를 뽑아내어 사용하게 된다. 또한 전기화학반응에 의해 생성된 물은 분리판의 가스이동로를 통하여 외부로 배출되지만 일부는 다시 전기화학반응을 돕는데 사 용되기도 한다.When the membrane-electrode assembly is stacked between the separator and the separator, the gap is sealed using a gasket to prevent the supply gas from leaking out. The electric current generated by the electrochemical reaction flows through the separator, which is an electrical conductor, and finally, electricity is extracted from the separator and used. In addition, the water produced by the electrochemical reaction is discharged to the outside through the gas flow path of the separator plate, but some of it is also used to help the electrochemical reaction.
이러한 연료전지에 있어서, 효율을 좋게 하는 요인에는, 전극에 사용되는 촉매, 이오노머, 탄소지지체, 전해질, 분리판 등의 여러 가지가 있지만, 연료전지의 스택은 다수의 MEA가 적층되어 있는 것이기 때문에 분리판과 분리판 사이의 균일한 면압은 매우 중요한 요인으로 평가된다.In such a fuel cell, there are various factors that improve efficiency, such as a catalyst, ionomer, carbon support, electrolyte, and separator used for the electrode, but the fuel cell stack is separated because a plurality of MEAs are stacked. Uniform surface pressure between plate and separator is considered to be a very important factor.
면압이 너무 작은 경우에는 분리판과 전극 지지체와의 접촉저항 및 막과 전해질의 접촉저항이 증가하게 되어 전류가 흐르는 데 방해가 된다. 반대로 면압이 너무 큰 경우에는 분리판의 재료인 흑연-고분자복합체의 특성 때문에 손상을 입을 수 있으며, 전극의 기체 확산층이 압축되어 연료가 이동하지 못하므로 연료전지의 물질전달영역에서 효율이 많이 감소하게 된다. 더욱이 다수의 분리판과 막-전극 어셈블리를 적층할 때에, 적층수가 늘어나면 늘어날수록 내부저항이 증가하며, 분리판과 막-전극어셈블리에 치명적인 손상이 일어나므로, 전체 연료전지 스택의 성능은 감소하고, 심한 경우 스택의 파손과 연료의 누출을 가져올 수 있다If the surface pressure is too small, the contact resistance between the separator and the electrode support and the contact resistance between the membrane and the electrolyte increase, which hinders the flow of current. On the contrary, if the surface pressure is too high, it may be damaged due to the characteristics of the graphite-polymer composite, which is the material of the separator, and the gas diffusion layer of the electrode may be compressed so that the fuel does not move, thereby reducing the efficiency in the material transfer region of the fuel cell. do. Moreover, when stacking multiple separators and membrane-electrode assemblies, as the number of stacks increases, the internal resistance increases and fatal damage to the separator and membrane-electrode assemblies reduces the performance of the entire fuel cell stack. In severe cases, this can lead to stack breakage and fuel leakage.
따라서 연료전지의 효율을 극대화할 수 있는 최적 면압을 찾아내는 것이 성능 향상에 기여하게 되며, 균일한 면압으로 체결함으로써 분리판과 막-전극 어셈블리의 손상을 막을 수 있다. Therefore, finding the optimum surface pressure that can maximize the efficiency of the fuel cell contributes to the improvement of performance, and it is possible to prevent damage to the separator and the membrane-electrode assembly by fastening at a uniform surface pressure.
도 1은 종래 일반적으로 이용되어 오던 연료전지 스택(100)의 구조의 일례를 나타내고 있다. 연료전지 스택(100)의 양쪽 끝에 위치하는 엔드플레이트(1) 사이에는 다수의 분리판과 MEA의 집합체가 적층되며, 미리 마련된 여러 개의 관통 홀(2) 에는 소정의 길이의 볼트(4)들이 관통되며, 이 볼트(4)의 양쪽 끝 부분은 엔드플레이트(1)의 캐비티(Cavity)(5)의 관통 홀(3)에서 너트(6)에 의해 단단하게 체결되어 있다. 이 볼트(4)들은 연료전지 스택(100)에 일정한 면압을 가하는 역할을 한다. 1 illustrates an example of a structure of a
도 2는 위와 같은 종래 연료전지 스택(100)의 단면을 나타내고 있다. 연료전지 스택(100)의 막-전극 어셈블리(MEA)(8)는 연료전지의 전기화학반응이 일어나는 부분으로 분리판(7) 사이에 적층된다. 분리판(바이폴라 플레이트)(7)에는 MEA에서 생성된 전류를 집진하고 한쪽 면에는 연료, 다른 한쪽 면에는 공기가 흐를 수 있도록 유로(가스이동로)(도시되어 있지 않음)가 파져 있다. 이 유로를 통해 분리판(7)의 한쪽 면에서는 산화극으로서 연료(H2 가스)가 흐르게 되고, 다른 한쪽 면은 환원극으로서 공기가 흐르게 된다. 그리고 이처럼 분리판(7)과 막-전극 어셈블리(8)가 적층되는 스택의 특정한 면압을 유지하기 위하여 스택의 양쪽 끝에 엔드플레이트(1)가 구성된다. 양쪽 엔드플레이트(1)가 스택(100)에 가하는 면압은 양쪽 엔드플레이트(1) 사이에 놓여 지지체 역할을 수행하는 긴 볼트(4)에 의해 이루어지며, 이 볼트(4)는 양쪽 엔드플레이트(1)에서 미리 준비된 너트(6)에 의해 단단하게 체결된다. 이를 통해 적층된 연료전지 스택(100)의 양쪽 엔드플레이트(1)의 면압이 유지된다. 2 shows a cross section of the conventional
한편, 도 3은 엔드플레이트 상의 너트(6)의 배열례를 나타내고 있다. 예컨대 4개의 너트가 구비되거나 8개의 너트가 구비될 수 있다. 도시되어 있지는 않지만 3개, 5개, 6개, 7개 또는 그 이상이어도 좋다. 너트(6)들은 볼트(4)와 체결되기 때 문에, 너트(6)들의 수는 스택을 관통하는 볼트(4)와 같다.3 shows an arrangement example of the
위와 같은 종래의 연료전지 스택(100)의 체결구조는 다수의 볼트(4)들을 순차적으로 조임으로써 조임과 동시에 분리판과 MEA에 불균일한 힘이 작용하는 문제점이 있다. 즉 다수의 볼트를 각각 조이게 되면 조인 부분 쪽만 힘이 가해지기 때문에, MEA가 손상될 우려가 높아진다. MEA에 손상이 생기면 MEA를 구성하는 전극의 기체확산층이 무너짐으로 말미암아 연료전달이 원활하지 못하게 되어 전지 성능이 감소한다. 또한 다수의 볼트를 각각 조이게 되면 조인 부분에서만 힘이 가해지기 때문에, 분리판에 손상이 생기게 된다.The fastening structure of the conventional
한편, 스택 체결력이 균일하지 않으면 분리판과 MEA 사이에 틈새가 생겨서 연료의 누출로 인한 폭발을 가져올 수 있는 문제점도 심각하게 제기된다. 나아가 다수의 볼트를 각각 조이기 때문에 스택 조립공정이 복잡해지고 시간도 오래 걸리는 문제점도 있다.On the other hand, if the stack fastening force is not uniform, there is a serious problem that can create a gap between the separator and the MEA resulting in an explosion due to the leakage of fuel. Furthermore, there is a problem that the stack assembly process is complicated and takes a long time because each bolt is tightened.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 특유의 체결 구조를 제공하고자 한다.The present invention is to provide a unique fastening structure for solving the above problems.
본 발명의 목적은 엔드 플레이트로부터 연료전지 스택에 균일한 면압을 가할 수 있는 수단을 제공함에 있다. 이를 통해 연료전지의 효율을 높이고자 한다. An object of the present invention is to provide a means capable of applying a uniform surface pressure from the end plate to the fuel cell stack. Through this, the efficiency of the fuel cell is to be improved.
또한, 균일한 면압을 가하면서도, 스택 체결 공정에 있어 안정성을 높이고 또한 체결 조립공정을 간소화하는 데 본 발명의 다른 목적이 있다.In addition, while applying a uniform surface pressure, there is another object of the present invention to increase the stability in the stack fastening process and to simplify the fastening assembly process.
본 발명의 또 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시례의 개시내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 더욱 넓은 범위로 포섭될 것이다.Further objects and advantages of the present invention will be described below, which are further described by means of the disclosure in the claims and the disclosure of the embodiments thereof, as well as means and combinations within the range that can be easily deduced therefrom. It will be covered in a wide range.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 막-전극 어셈블리 및 분리판을 포함하는 단위 전지 또는 상기 단위 전지가 2개 이상 적층되어 이루어진 연료전지 스택에 있어서, 한 쌍의 엔드 플레이트가 상기 단위 전지 또는 상기 연료전지 스택의 양쪽 끝에 면압을 가해 지지하며,In order to achieve the above object, the present invention is a unit cell comprising a membrane-electrode assembly and a separator plate or a fuel cell stack in which at least two unit cells are stacked, a pair of end plates is the unit cell Or by applying surface pressure to both ends of the fuel cell stack,
상기 한 쌍의 엔드 플레이트를 끌어당기도록 체결하기 위하여 그 양쪽 끝이 한 쌍의 엔드 플레이트에서 고정되는 다수의 연결볼트와; 상기 연결볼트의 끝을 수용하며 회전력에 의해 연결볼트를 엔드 플레이트에 고정하는 엔트 플레이트 상의, 다수의 나사기어; 및 A plurality of connecting bolts at both ends of which are fixed at the pair of end plates to fasten the pair of end plates to attract the pair of end plates; A plurality of screw gears on the end plate for accommodating the ends of the connecting bolts and fixing the connecting bolts to the end plates by rotational force; And
엔드 플레이트 상에 구비되며, 상기 나사기어와 맞물려 접촉하여, 외부의 토크 렌치와 연결되어 토크 렌치의 작용에 의해 회전할 때, 회전력을 다수의 상기 나사기어에 균등하게 전달함으로써, 상기 연결볼트들이 쌍을 이루는 나사기어와 자동으로 체결되도록 하는 중심기어;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The connecting bolts are provided on an end plate and are connected to the screw gears in contact with each other, and are connected to an external torque wrench to rotate the force evenly to the plurality of screw gears when rotating by the action of the torque wrench. It characterized in that it comprises a; a center gear to be automatically engaged with the screw gear forming a.
이와 같은 본 발명의 연료전지 스택의 체결 구조에 있어서, 상기 중심기어는 엔드 플레이트의 중앙 부분에 위치하며, In the fastening structure of the fuel cell stack of the present invention, the center gear is located in the center portion of the end plate,
상기 나사기어는 적어도 3개 이상 구비되며, 상기 중심기어를 중심으로 하여 각각 중심기어와 맞물려 회전하는 구조를 가지는 것이 바람직하다.At least three screw gears may be provided, and each of the screw gears may have a structure in which the screw gears rotate in engagement with the center gear.
또한, 상기 중심기어는, 엔드 플레이트 상에 고정되어 있거나 또는 나사기어와 연결볼트의 체결시에만 엔드 플레이트 상에 위치하는 것으로 이해될 수 있다.In addition, it can be understood that the center gear is fixed on the end plate or located on the end plate only when the screw gear and the connecting bolt are fastened.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시례를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 공지 구성, 예컨대 연료전지의 전기화학반응의 원리, 연료전지 스택의 각 구성부분의 구체적인 기능, 기어구동의 기계적인 원리 등 이미 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, it is already known to those skilled in the art, such as known functions or known configurations, such as the principle of electrochemical reaction of fuel cells, the specific functions of each component of the fuel cell stack, and the mechanical principle of gear driving. If it is determined that the gist of the present invention may be unnecessarily obscured, the detailed description thereof will be omitted.
도 4는 본 발명의 연료전지 스택 체결 구조의 기본적인 개념을 개략적으로 나타내고 있다. 엔드플레이트에는 연료전지 스택을 체결하기 위한 다수개의 나사기어(6)들이 구비되며, 이 나사기어(6)는 양쪽의 엔드 플레이트를 끌어당겨 고정하는 연결볼트들과 결합하게 된다. 4 schematically illustrates the basic concept of the fuel cell stack fastening structure of the present invention. The end plate is provided with a plurality of
본 발명의 연료전지 스택 체결 구조는 기본적으로 중앙에 있는 기어의 회동에 의해서 나사기어(6)들도 함께 회전하게 되고, 이때 나사기어(6)들에 작용하는 회전력에 의해, 연결볼트가 자신을 수용하는 상기 나사기어(6)에 결합되도록 하는 것이다. 이를 위하여 엔드 플레이트의 중앙 부분에 구동기어로서 중심기어(10)를 위치한 후 다수개(예컨대 3개~ 10개)의 나사기어(6)를 중심기어(10)에 연결되도록 한다. In the fuel cell stack fastening structure of the present invention, the screw gears 6 also rotate together by the rotation of the gear in the center, and at this time, the connecting bolt is driven by the rotational force acting on the screw gears 6. It is to be coupled to the screw gear (6) for receiving. To this end, after the
한편, 외부의 중심기어(10)에 회전구동력을 전달하는 토크 렌치(도시하지 않음)가 중심기어(10)의 렌치 연결부(11)를 통해 연결된다. 이 토크 렌치를 통해 회전구동력이 중심기어(10)에 가해지고, 이때 발생하는 중심기어(10)의 회전력이 맞물려 연결되는 나사기어(6)에 전달된다. 이때 종동기어인 다수의 나사기어(6)의 지름을 균등하게 유지하고, 중심기어에 맞물려 있는 부분의 물리적 접촉을 균등하게 유지함으로써, 중심기어(10)의 회동에 의해 가해지는 나사기어(6)들의 회전 토크도 균등하게 유지할 수 있기 때문에, 결국 이 나사기어(6)들과 결합하는 연결볼트에도 균일한 압력을 가할 수 있다. 이로써 서로 마주보는 한 쌍의 엔드 플레이트간에 균일한 면압이 발생한다. On the other hand, a torque wrench (not shown) for transmitting a rotational driving force to the
물론 구동기어인 중심기어(10)와 종동기어인 나사기어(6)가 단지 접점만을 형성해서는 회전력이 전달되기도 어렵거니와 연결볼트가 나사기어(6)에 견고하게 체결될 수도 없다. 어떻게 하면 스택에 가해지는 면압을 균일하게 유지하면서 모든 연결볼트를 해당 나사기어에 한꺼번에 견고하게 체결할 수 있을지를 연구할 필요가 있다. 이를 위해 엔드 플레이트의 중앙에 구동기어를 구비하고, 이 구동기어에 모든 나사기어들이 접촉하도록 함으로써, 구동기어가 회전하면 이와 접촉된 나사기어들도 연동하여 회전할 수 있도록 하는 것이다.Of course, the
이를 위해서는 나사기어들이 종동기어로서 역할을 하여야 하며, 바람직하게 는 나사기어들의 머리에 이(톱니와 같은)가 만들어진다. To this end, screw gears should act as driven gears, preferably with teeth (like teeth) made on the heads of the screw gears.
도 4와 도 5는 이와 같은 구체적인 해결수단을 제시하고 있다. 엔드 플레이트 상에 위치한 원형의 중심기어(10)의 외주면은 요철형상으로 톱니가 구비되어 있다. 그리고 종동기어인 나사기어(6)의 외주면도 요철형상의 톱니가 구비되어 있으며, 중심기어(10)의 톱니와 나사기어(6)의 톱니가 암수쌍으로 서로 맞물리도록 외주면의 구조가 정해진다. 이러한 나사기어(6)는 중심기어(10)를 중심으로 다수 개 존재하여 모두 중심기어(10)의 외주면과 맞물리게 된다. 4 and 5 present such a specific solution. The outer circumferential surface of the
한편, 나사기어의 수는 곧 연결볼트의 수를 의미한다. 다수의 분리판과 막-전극 어셈블리의 안정적인 적층 스택을 유지하기 위해서는 한 쌍의 엔드 플레이트를 상호 끌어당기면서 지지할 수 있는 연결볼트가 마련되는데, 이를 위해서는 2개 또는 3개 이상의 연결볼트가 구비되는 것이 바람직하다. 소형의 연료전지 스택의 경우에는 2개의 연결볼트가 구비되어도 적정한 면압이 유지되고 안정성이 확보될 수도 있으나, 연료전지의 적층수가 많아지고 그 사이즈가 커짐에 따라서 안정성이 파괴되기 때문에, 적어도 3개 이상의 연결볼트는 필요할 것이다. 물론 연료전지의 적층 스택을 가장 안정적으로 지지해주고 일정 압력 이상의 균일한 면압을 가해주기 위해서는 4개 이상의 연결볼트가 좋다.Meanwhile, the number of screw gears means the number of connecting bolts. In order to maintain a stable stack stack of a plurality of separators and membrane-electrode assemblies, connecting bolts are provided to pull and support a pair of end plates, and two or three connecting bolts are provided. It is preferable. In the case of a small fuel cell stack, even if two connecting bolts are provided, proper surface pressure may be maintained and stability may be secured. However, at least three or more fuel cell stacks may be destroyed because the number of stacked fuel cells increases and the size thereof increases. A connection bolt will be required. Of course, four or more connecting bolts are preferable to most stably support the stack of fuel cells and to apply a uniform surface pressure above a certain pressure.
도 6은 중심기어(10)와 연결되는 나사기어(6)의 다양한 실시형태를 나타내고 있다. 도 6(a)는 8개의 나사기어(6)가, 도 6(b)는 4개의 나사기어(6)가, 도 6(c)는 6개의 나사기어(6)가 중심기어(10)와 기어로 연결된다. 그리고 중심기어(10)의 회 전에 의하여 도 6의 나사기어(6)들은 각각 8, 4, 6개의 연결볼트들과 체결된다.6 shows various embodiments of the
이상의 실시형태에서는 엔드 플레이트 상에 중심기어(10)가 장착되어 있고, 연료전지 스택을 만들 때에 중심기어(10)의 렌치 연결부(11)에 외부 토크 렌치를 연결하여 중심기어(10)를 회전시킴으로써, 나사기어(6)가 연결볼트에 단단히 체결되도록 하는 것이다. 이 경우 중심기어(10)는 엔드 플레이트 상에 고정되어 있다. 그러나 다른 실시형태에서는 중심기어(10)를 착탈식으로 구성한다. 예컨대 나사기어와 연결볼트의 체결시에만 엔드 플레이트 상에 중심기어(10)를 위치하여 장착하고, 다음으로 중심기어(10)를 토크 렌치에 연결하여 회전시키는 것이다. 이를 통해 나사기어들과 연결볼트들이 균일한 회전 토크에 의해 체결된 다음에 다시 중심기어(10)를 엔드 플레이트로부터 분리시킨다.In the above embodiment, the
본 발명의 연료전지 스택 체결구조는, 일반적으로 단위 전지가 다수 개 적층되어 스택을 이루는 연료전지의 스택에 적용된다. 그러나 MEA가 1개 있는 단위 전지의 경우에도 양쪽 끝의 엔드 플레이트에 의해 균일한 면압이 유지되어야 함은 변함없는 사실이다. 따라서 위에서 설명한 본 발명의 구성은 통상적인 연료전지 스택 뿐만 아니라, 단위전지의 체결구조에도 그대로 적용된다.The fuel cell stack fastening structure of the present invention is generally applied to a stack of fuel cells in which a plurality of unit cells are stacked to form a stack. However, even in a unit cell having one MEA, it is a fact that uniform surface pressure must be maintained by the end plates at both ends. Therefore, the configuration of the present invention described above is applied to the fastening structure of the unit cell as well as the conventional fuel cell stack.
이상의 실시례들은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것임을 다시 한 번 첨언하며, 본 발명의 보호범위가 이들 실시례에 의해 제한되는 것은 아니다. 특히 기어들 의 사이즈, 회전속도, 토크렌치에 가해지는 정량적인 힘의 데이터, 연료전지 스택 자체의 내부 구성 및 성능, 기타 각 구성들의 치수, 형상, 개수 등에 본 발명의 보호범위가 제한된다거나 또는 본 발명이 속하는 기술분야에서의 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명의 보호범위가 제한될 수는 없음을 첨언한다.It is noted that the above embodiments are only for illustrating the present invention, and the protection scope of the present invention is not limited by these examples. In particular, the scope of protection of the present invention is limited to the size, rotation speed, quantitative force data applied to the gears, the internal configuration and performance of the fuel cell stack itself, and the dimensions, shapes and numbers of the other components. It should be noted that the scope of protection of the present invention cannot be limited by obvious changes or substitutions in the technical field to which the present invention belongs.
이상에서 설명한 본 발명에 따르면, According to the present invention described above,
엔드플레이트의 가운데에 위치하는 중심기어를 회전시킴으로써 이와 연결되어 있는 나사기어들이 동시에 회전하도록 하여 스택을 조일 수 있는 장점이 있다. 이를 통해 종전에 각각 따로따로 조임으로써 발생하던 국부적인 압력의 불균일함에 의해 발생하는 분리판의 파손이나 MEA의 손상을 줄일 수 있는 효과가 있다. 이러한 효과는 연료전지의 성능 감소를 막고 효율을 높이는 데 기여하게 된다.Rotating the center gear located in the center of the end plate has the advantage that the screw gear connected to it to rotate at the same time to tighten the stack. Through this, it is possible to reduce the damage of the separator plate or the damage of the MEA caused by the local pressure non-uniformity caused by tightening separately before. This effect prevents the fuel cell from degrading and contributes to its efficiency.
또한, 다수의 볼트와 너트를 각각 개별적으로 조이던 공정이, 본 발명에 따라, 이제는 하나의 중심기어만을 돌리기만 하면 되기 때문에, 스택 체결을 위한 조립 공정을 간소화할 수 있는 효과가 있다. In addition, the process of tightening each of the plurality of bolts and nuts separately, according to the present invention, since only one of the center gear is now required to turn, there is an effect that can simplify the assembly process for fastening the stack.
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JPH09259916A (en) * | 1996-03-19 | 1997-10-03 | Mitsubishi Electric Corp | Fastening device for fuel cell |
JP2005339958A (en) | 2004-05-26 | 2005-12-08 | Advanex Inc | Fastening tool for fuel cell |
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2005
- 2005-12-29 KR KR1020050133474A patent/KR100710274B1/en not_active IP Right Cessation
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