KR100501206B1 - Assembling structure for the PEM fuelcell stack - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 스택의 체결구조에 관한 것으로서, 고분자 전해질막과 그 양쪽면에 형성되는 산화전극과 환원전극을 포함하는 막전극 접합체(MEA)와; 상기 막전극 접합체의 양쪽면에 위치하는 분리판과; 상기 분리판을 적층하기 위한 실링구조와; 상기 적층된 다수의 분리판 양단에 위치하는 전류 집합체(Current Collector)와; 상기 전류 집합체의 양단에 위치하는 한 쌍의 엔드 플레이트와; 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 사이에 위치하여, 상기 엔드 플레이트를 서로 끌어당기도록 체결되는 연결바아를 포함하는 연료전지 스택의 체결구조에 있어서, 상기 엔드 플레이트는 체결부와, 판스프링 형상으로 가공된 변형부를 포함하며, 상기 연결바아는 엔드 플레이트의 상기 체결부에 취부된다.The present invention relates to a fastening structure of a fuel cell stack, comprising: a membrane electrode assembly (MEA) including a polymer electrolyte membrane and an anode and a cathode formed on both sides thereof; Separating plates located on both sides of the membrane electrode assembly; A sealing structure for stacking the separators; A current collector positioned at both ends of the plurality of stacked plates; A pair of end plates located at both ends of said current collection; In the fastening structure of the fuel cell stack including a connection bar positioned between the pair of end plates, the connection bars are fastened to attract the end plates, the end plate is a fastening portion, the deformation is processed into a leaf spring shape And a connecting bar is mounted to the fastening portion of the end plate.
본 발명에 의하면, 엔드 플레이트는 체결에 의하여 발생할 수 있는 변형(deformation)이 추가 소요 부품없이 내부 변형 보완부에 의해서 전류 집합체와 접촉하지 않는 부분에서의 변위(displacement)를 극대화하여 상대적으로 전류 집합체와 접촉하는 부분에서의 변위을 극소화시킬 수 있도록 설계되어지고 체결되므로, 스택 내부로 전달되는 압축응력이 균일하게 분포되기 때문에 신뢰성이 우수한 체결용 스택을 제공한다는 장점이 있다. 또한, 보강판을 추가하여 엔드 플레이트의 두께를 더욱 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 보강판의 형상에 따라 내부로의 압축력 전달 효과를 극대화 할 수 있다. 아울러, 보강판의 연결바아가 관통하는 부분에 있어서, 체결용 너트에 의해 발생할 수 있는 국부 응력 집중 현상이 보강판을 통하여 분산되므로, 작은 체결력으로도 원하는 균일한 압축 응력 분포를 얻을 수 있다.According to the present invention, the end plate has a relative displacement with the current collector by maximizing displacement in a portion where deformation that may be caused by fastening does not come into contact with the current collector by an internal deformation supplement without additional required parts. Since it is designed and fastened to minimize the displacement in the contacting part, there is an advantage of providing a fastening stack having excellent reliability since the compressive stress transmitted into the stack is uniformly distributed. In addition, the thickness of the end plate can be further reduced by adding a reinforcement plate, and the compressive force transmission effect to the inside can be maximized according to the shape of the reinforcement plate. In addition, in the part where the connection bar of the reinforcing plate penetrates, since local stress concentration phenomenon which may be caused by the fastening nut is dispersed through the reinforcing plate, a desired uniform compressive stress distribution can be obtained even with a small fastening force.
Description
본 발명은 연료전지 스택의 체결구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수의 분리판을 적층한 연료전지 스택을 보다 안정적으로 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 more stably fastening a fuel cell stack in which a plurality of separator plates are stacked.
연료전지는 일반적으로는 원하는 출력을 얻기 위해 다수의 분리판을 적층한 형태로서 사용되게 되는데 이를 연료전지 스택이라고 한다.Fuel cells are generally used as a stack of a plurality of separator plates to obtain a desired output, which is called a fuel cell stack.
이러한 연료전지 스택에 있어서 적층된 다수의 분리판을 안정적으로 지지하기 위한 체결구조가 필요한데 가장 일반적인 형태가 도 1에 도시되어 있다. 즉, 다수의 분리판(10)을 적층한 후 적층된 분리판의 양단에 분리판에 비해서 상대적으로 큰 두께를 갖는 엔드 플레이트(12)를 위치시킨 후 연결바아(14)를 사용하여 체결한다. 이때, 상기 연결바아(14)의 양단에는 나사산(16)이 형성되어 있어서 엔드 플레이트의 외부면으로부터 너트(18)를 체결하면, 양단에 위치한 엔드 플레이트가 분리판을 누르는 압력으로 인해 연료전지 스택이 체결된다.In such a fuel cell stack, a fastening structure for stably supporting a plurality of stacked plates is required. The most common form is illustrated in FIG. 1. That is, after stacking a plurality of separator plates 10 is placed on both ends of the stacked separator plate end plate 12 having a relatively larger thickness than the separator plate and fastened using a connection bar (14). At this time, the threads 16 are formed at both ends of the connection bar 14, so that when the nut 18 is fastened from the outer surface of the end plate, the fuel cell stack is closed due to the pressure at which the end plates located at both ends press the separator plate. Is fastened.
그러나, 연료전지의 작동 특성상 수소 및 공기를 지속적으로 공급해야 하며 공급된 수소 및 공기가 외부로 누출되지 않아야 한다. 또한, 작동과정에 있어서 발열이 생기므로 이를 냉각하기 위한 냉각수가 공급되며 이 또한 누출되어서는 안되기 때문에 엔드 플레이트는 공급된 가스 및 냉각수가 누출되지 않도록 비교적 높은 압력으로 분리판을 눌러야 할 뿐만 아니라 분리판의 전체면에 걸쳐서 균일한 압력을 가하여야 한다. 엔드 플레이트가 가하는 압력이 불균일할 경우 상대적으로 압력이 낮은 부분을 통해 가스 또는 냉각수가 누출될 수 있을 뿐만 아니라 발열로 인한 열응력의 차이로 인해 불균일하게 변형될 우려가 있기 때문이다.However, due to the operating characteristics of the fuel cell, it is necessary to continuously supply hydrogen and air, and the hydrogen and air supplied must not leak to the outside. In addition, heat is generated during operation, so that cooling water is supplied to cool it, which should not leak, so that the end plate must not only press the separator plate at a relatively high pressure so that the supplied gas and the coolant leak, but also the separator plate. Uniform pressure should be applied over the entire surface of This is because if the pressure applied by the end plate is uneven, gas or cooling water may leak through the relatively low pressure portion, and there is a fear that the end plate may be unevenly deformed due to the difference in thermal stress caused by heat generation.
이를 위해 현재 여러가지 형태의 체결구조가 제안되고 있다.To this end, various types of fastening structures are currently proposed.
즉, 미국특허 제5,547,777호에서는 도 1과 동일한 구조에서 너트(18)를 직사각형이 아닌 방사상으로 배치하여 응력 불균형을 해소하고자 한 구조를 개시하고 있지만, 실제로는 너트가 체결되는 부위의 응력이 나머지 부분에 비해서 상대적으로 높으며 이를 고르게 분산시킬 구조가 없어 그 효용성이 낮다.That is, US Patent No. 5,547,777 discloses a structure in which the nut 18 is disposed radially rather than rectangular in the same structure as in FIG. 1 to solve the stress imbalance. It is relatively high in comparison with the structure that it is not evenly distributed and its utility is low.
대한민국 실용신안등록출원 제20-1998-0027828호에서는 별도의 스탠드를 두고 스탠드에 지지된 가압판이 막전극 접합체를 누르는 구조를 개시하고 있다. 상기 기술에서는 가압판에 볼트 및 너트가 체결되지 않고 스탠드에 나사결합된 가압봉에 의해 가압되는 구조여서 비교적 균일한 압력이 전달될 수 있지만 스탠드로 인해 전체 연료전지 스택의 부피가 증가할 뿐만 아니라 가압봉이 위치한 부분과 외곽부분과의 응력에는 여전히 차이가 존재한다.Korean Utility Model Registration Application No. 20-1998-0027828 discloses a structure in which a pressure plate supported on the stand presses the membrane electrode assembly with a separate stand. In the above technology, since the bolt and nut are not fastened to the pressure plate and are pressed by a pressure rod screwed to the stand, relatively uniform pressure can be transmitted, but the stand increases the volume of the entire fuel cell stack as well as the pressure rod. There is still a difference in the stress between the located part and the outer part.
그 외에 대한민국 실용신안등록출원 제 20-1999-0005284호에서는 연결바아의 중앙부에 코일 스프링을 두고, 인장력조절 체결수단을 둔 구조를 개시하고 있으나, 여전히 너트 체결부와 그외 부분의 압력 차이는 해결하지 못하며, 장기간 사용하는 경우 코일 스프링의 특성이 변하게 되므로 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다.In addition, Korean Utility Model Application No. 20-1999-0005284 discloses a structure in which a coil spring is provided at the center of the connecting bar and a tension control fastening means, but still does not resolve the pressure difference between the nut fastening part and the other part. It does not have the disadvantage of low reliability because the characteristics of the coil spring is changed when used for a long time.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술들의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 종래의 엔드 플레이트 체결구조를 크게 변화시키지 않은 간단한 구조를 통해서도 효율적으로 균일한 압축력을 분리판에 전달할 수 있으며 전체 중량을 감소시킬 수 있는 연료전지 스택의 체결구조를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.The present invention has been made to overcome the disadvantages of the prior art as described above, it is possible to efficiently transfer a uniform compressive force to the separator plate even through a simple structure that does not significantly change the conventional end plate fastening structure and reduce the overall weight It is a technical problem to provide a fastening structure of a fuel cell stack.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 고분자 전해질막과 그 양쪽면에 형성되는 산화전극과 환원전극을 포함하는 막전극 접합체(MEA)와; 상기 막전극 접합체의 양쪽면에 위치하는 분리판과; 상기 분리판을 적층하기 위한 실링구조와; 상기 적층된 다수의 분리판 양단에 위치하는 전류 집합체(Current Collector)와; 상기 전류 집합체의 양단에 위치하는 한 쌍의 엔드 플레이트와; 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 사이에 위치하여, 상기 엔드 플레이트를 서로 끌어당기도록 체결되는 연결바아를 포함하는 연료전지 스택의 체결구조에 있어서, 상기 엔드 플레이트는 체결부와, 판스프링 형상으로 가공된 변형부를 포함하며, 상기 연결바아는 엔드 플레이트의 상기 체결부에 취부되는 것을 특징으로 하고 있다.In order to achieve the above technical problem, the present invention is a membrane electrode assembly (MEA) comprising a polymer electrolyte membrane and an anode and a cathode formed on both sides thereof; Separating plates located on both sides of the membrane electrode assembly; A sealing structure for stacking the separators; A current collector positioned at both ends of the plurality of stacked plates; A pair of end plates located at both ends of said current collection; In the fastening structure of the fuel cell stack including a connection bar positioned between the pair of end plates, the connection bars are fastened to attract the end plates, the end plate is a fastening portion, the deformation is processed into a leaf spring shape And a connecting bar is mounted to the fastening part of the end plate.
본 발명에서는 엔드 플레이트의 일부에 판스프링 형상으로 가공된 변형부를 두어 너트 체결부에서 발생되는 응력에 따라 변형부의 변위가 변화하면서 전류 집전체와 접촉하는 면에서의 변위를 최소화하게 되고, 이로 인하여 내부로의 압축응력은 균일하게 분산되어 진다. 즉, 상기 변형부가 일종의 스프링과 같은 역할을 수행하도록 함으로써 별도의 완충장치가 없이도 균일한 압력을 전달할 수 있도록 한 것이다.In the present invention, the deformation portion is processed in the shape of a plate spring in a portion of the end plate to minimize the displacement in the contact with the current collector while the displacement of the deformation portion in accordance with the stress generated in the nut coupling portion, thereby The compressive stress of the furnace is evenly distributed. In other words, the deformable portion to perform a role as a kind of spring to be able to deliver a uniform pressure without a separate shock absorber.
상기 변형부는 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 일 예로서 상기 변형부는 단면이 계단 형태인 홈으로 구성될 수 있다. 이를 통해 상기 홈이 판스프링과 같은 역할을 수행할 수 있다. 또 다른 형태로서, 상기 홈은 아치형으로 형성될 수도 있다.The deformable portion may be formed in various forms. For example, the deformable portion may be configured as a groove having a stepped cross section. This allows the groove to play the same role as the leaf spring. In another form, the groove may be formed in an arcuate shape.
한편, 상기 엔드 플레이트의 외부면에 판재로 이루어지는 보강판을 추가적으로 포함할 수도 있다. 보강판의 체결 부분은 엔드 플레이트의 볼트 체결 부분과 2 mm 이하로 분리시킴으로 인하여 볼트부에 발생하는 응력 집중 현상을 제거할 수 있으며 빔 형상을 가지는 보강판을 이용하여 외부에서 체결하면서도 내부로의 응력 전달 현상을 극대화 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한 빔의 특성상 전달되는 압축응력이 균일하게 퍼지게 되어 분리판에 일정한 압력을 유지시킬 수 있는 것이다. 따라서, 압력을 균일하게 분산시킬 수 있을 뿐만 아니라 엔드 플레이트가 과도하게 변형되는 것을 방지하게 된다. 보강판이 추가됨으로서 엔드 플레이트의 전체 두께를 상대적으로 작게 할 수 있으므로 중량감소에도 도움이 된다.On the other hand, it may further include a reinforcing plate made of a plate on the outer surface of the end plate. Since the fastening part of the reinforcing plate is separated from the bolt fastening part of the end plate by 2 mm or less, the stress concentration phenomenon occurring in the bolt part can be eliminated. It has the advantage of maximizing the transmission phenomenon. In addition, the compressive stress transmitted due to the characteristics of the beam is spread evenly to maintain a constant pressure on the separator. Thus, not only can the pressure be uniformly distributed, but also the end plate is prevented from being excessively deformed. The addition of a reinforcement plate allows the overall thickness of the end plate to be relatively small, which also helps in weight reduction.
상기 보강판은 상기 앤드 플레이트의 외곽면에 형성될 수 있다. 보강판이 엔드 플레이트의 변형부 전체를 덮는 경우 변형부와 보강판의 마찰력에 의해서 엔드 플레이트가 원활하게 변형되는 것을 제약할 수도 있으므로 변형부에 해당되는 부분에 절개부를 형성함으로써 엔드 플레이트와 보강판이 독립적으로 그 기능을 수행할 수 있도록 하는 것이 좋다. 또한, 보강판을 엔드 플레이트의 내부로 삽입을 시킴으로서 전체적인 크기에는 큰 변화를 주지 않고 하나의 공정으로서 엔드 플레이트를 조립할 수도 있다.The reinforcement plate may be formed on an outer surface of the end plate. When the reinforcing plate covers the entire deformation portion of the end plate, the end plate may be smoothly deformed due to the friction between the deformation portion and the reinforcement plate. Thus, the end plate and the reinforcement plate may be independently formed by forming an incision in the portion corresponding to the deformation portion. It's good to be able to do that. In addition, by inserting the reinforcing plate into the end plate, it is possible to assemble the end plate as one process without a great change in the overall size.
한편, 상기 보강판 중 연결바아가 관통되는 부분의 배면은 엔드 플레이트와 이격되어 있는 것이 좋다. 이를 통해서 너트가 체결되는 부분이 엔드 플레이트를 직접적으로 가압하지 않으므로 응력분산에 보다 유리하다.On the other hand, the rear surface of the portion through which the connection bar of the reinforcing plate is preferably spaced apart from the end plate. This is more advantageous for stress distribution because the portion to which the nut is fastened does not directly press the end plate.
또한, 상기 보강판은 단면이 사다리 형태일 수 있다. 즉, 보강판이 상판과 하판 그리고 상판과 하판을 연결하는 다수의 종 지지부로 이루어져 있도록 하여, 너트로 인해 상판에 발생된 압력이 종 지지부를 통해 하판에 균일하게 전달될 수 있도록 한다.In addition, the reinforcing plate may have a ladder cross section. That is, the reinforcing plate is made up of a plurality of longitudinal supports connecting the upper and lower plates and the upper and lower plates, so that the pressure generated in the upper plate due to the nut can be uniformly transmitted to the lower plate through the longitudinal support.
또한, 상기 보강판 중 연결바아가 관통되는 부분은 서로 떨어져서 위치하는 이중구조를 갖도록 할 수도 있다.In addition, a portion of the reinforcing plate through which the connection bar penetrates may have a dual structure located apart from each other.
본 발명은 또한, 상술한 체결구조 중 임의의 것을 채용한 연료전지 스택을 제공하는 것을 또 다른 특징으로 하고 있다.Another aspect of the present invention is to provide a fuel cell stack employing any of the above-described fastening structures.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 스택 체결구조의 실시예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the fuel cell stack fastening structure according to the present invention.
도 2를 참조하면, 다수의 분리판(A)의 양단에 엔드 플레이트(100)가 위치한다. 여기서, 분리판(A)과 엔드 플레이트에 설치되는 가스 및 냉각수 공급관(102, 104)의 배치형태는 필요에 따라서 달리할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.Referring to FIG. 2, end plates 100 are positioned at both ends of the plurality of separation plates A. Referring to FIG. Here, since the arrangement of the gas and cooling water supply pipes 102 and 104 installed on the separation plate A and the end plate may be different as necessary, detailed description thereof will be omitted.
상기 엔드 플레이트(100)는 전체적으로 직사각형의 형태를 갖는 두꺼운 판재로 구성되며, 재질은 알루미늄 합금(예를 들면, Al7075) 또는 엔지니어링 플라스틱(예를 들면, 울템)으로 이루어진다. 엔드 플레이트(100)의 내면에는 엔드 플레이트(100)의 표면으로부터 돌출되어 형성되는 접촉부(108)가 형성되며, 상기 접촉부(108)가 분리판과 접하게 된다.The end plate 100 is composed of a thick plate having a rectangular shape as a whole, and the material is made of aluminum alloy (for example, Al7075) or engineering plastic (for example, Ultem). The inner surface of the end plate 100 is formed with a contact portion 108 protruding from the surface of the end plate 100, the contact portion 108 is in contact with the separator plate.
상기 접촉부(108)의 외주부에는 6개의 볼트공(106)이 배치되는데, 상기 볼트공의 개수는 엔드 플레이트의 크기에 따라서 적절하게 변경될 수 있다.Six bolt holes 106 are disposed at the outer circumferential portion of the contact portion 108, and the number of the bolt holes may be appropriately changed according to the size of the end plate.
상기 엔드 플레이트(100)의 외부면에는 두 개의 변형부(110)가 형성된다. 상기 변형부(110)는 평면으로 보았을 때 크기를 달리하는 다수의 직사각형이 적층된 형태를 갖는데 이에 대해서는 후술한다. 한편, 상기 변형부의 개수는 반드시 두 개로 한정되는 것은 아니며 엔드 플레이트의 크기에 따라서 적절하게 변형할 수 있다. 또한, 상기 두 개의 변형부(110)의 양쪽에는 세로로 길게 연장되는 삽입홈(112)이 형성된다. 상기 삽입홈은 후술한 삽입돌기(134)가 삽입되기 위한 것으로서, 보강판을 부착할 때에 정위치에 부착되도록 가이드하기 위한 것이다.Two deformation parts 110 are formed on an outer surface of the end plate 100. The deformation unit 110 has a form in which a plurality of rectangles having different sizes when stacked in a plan view are described later. On the other hand, the number of the deformable portion is not necessarily limited to two, it can be appropriately modified according to the size of the end plate. In addition, insertion grooves 112 extending longitudinally are formed at both sides of the two deformation parts 110. The insertion groove is for inserting the insertion protrusion 134 to be described later, for guiding to be attached in place when attaching the reinforcing plate.
상기 한 쌍의 엔드 플레이트 사이에는 연결바아(120)가 위치하며 상기 연결바아(120)의 양단에는 나사산(122)이 형성되어 있다. 상기 연결바아(120)는 상기 엔드 플레이트(100)에 형성된 볼트공(106)을 통해 나사산(122)이 형성된 단부가 노출되며 너트(124)에 의해 결합되어 엔드 플레이트(100)가 분리판을 가압하게 된다.A connection bar 120 is positioned between the pair of end plates, and threads 122 are formed at both ends of the connection bar 120. The connection bar 120 is exposed through the bolt hole 106 formed in the end plate 100, the end portion formed with the thread 122 is exposed and coupled by a nut 124 end plate 100 to press the separation plate Done.
한편, 상기 엔드 플레이트(100)의 외면에는 보강판(130)이 위치한다. 상기 보강판(130)은 얇은 판재에 상기 변형부(110)에 대응되는 절개부(132)를 형성한 것으로서 외주부에는 상기 볼트공에 대응되는 관통공이 형성되어 있다. 상기 너트(124)는 보강판의 표면을 가압하게 되며, 너트(124)가 가하는 압력은 보강판(130)을 통해서 엔드 플레이트(100)로 전달된다. 즉, 너트에 의한 응력은 보강판 및 엔드 플레이트를 거쳐서 분리판에 전달되며, 이 과정에서 응력이 고르게 분산되어 전달되게 된다. 또한, 너트에 의한 압력을 더욱 분산시킬 수 있도록 완충재로 이루어지는 와셔가 너트(124)와 엔드 플레이트(100) 사이에 끼워진다.On the other hand, the reinforcing plate 130 is located on the outer surface of the end plate 100. The reinforcing plate 130 is a thin plate formed in the cut portion 132 corresponding to the deformation portion 110, the outer periphery is formed through holes corresponding to the bolt hole. The nut 124 pressurizes the surface of the reinforcing plate, and the pressure applied by the nut 124 is transmitted to the end plate 100 through the reinforcing plate 130. That is, the stress caused by the nut is transmitted to the separator plate through the reinforcing plate and the end plate, and in this process, the stress is evenly distributed and transmitted. In addition, a washer made of a cushioning material is fitted between the nut 124 and the end plate 100 so as to further disperse the pressure by the nut.
도 3 및 도 4를 참조하면, 엔드 플레이트 및 보강판의 단면이 도시되어 있다. 상기 변형부(110)는 단면이 계단형태로 이루어져 있으며 엔드 플레이트의 외주부에 너트에 의한 압력이 가해지는 경우 상대적으로 적은 두께를 갖는 변형부(110) 부분에 의해 변위가 발생하여 압력을 일차적으로 흡수 및 분산시켜서 분리판으로 전달하게 된다. 이때, 계단형태의 변형부(110)가 일종의 판 스프링과 같은 역할을 하게 된다. 변형부(110)는 일반적인 판 스프링의 형상처럼 가로대 세로의 비율을 가질 수 있다. 대체적으로 변형이 가해지는 부분의 계단형태가 상대적으로 좁게 형성이 된다. 본 실시 예에서는 변형이 가해지는 부분의 계단 간격을 2 mm로 정하였다. 한편, 상기 보강판의 배면에는 상기 삽입홈(112)과 대응되는 삽입돌기(134)가 형성되어 있다. 도 4에서는 총 4개의 삽입돌기가 형성되어 있으며, 그 개수는 필요에 따라서 변경가능하다.3 and 4, a cross section of the end plate and the reinforcement plate is shown. The deformation part 110 has a step shape in cross section, and when the pressure is applied to the outer circumference of the end plate, displacement is generated by the deformation part 110 having a relatively small thickness, thereby primarily absorbing pressure. And disperse and transfer to the separator. At this time, the deformable portion 110 of the step shape serves as a kind of leaf spring. The deformable portion 110 may have a ratio of the cross lengths to the shape of a general leaf spring. In general, the stepped shape of the deformation part is relatively narrow. In this embodiment, the step spacing of the portion to which the deformation is applied is set to 2 mm. On the other hand, the insertion protrusion 134 corresponding to the insertion groove 112 is formed on the rear surface of the reinforcing plate. In FIG. 4, a total of four insertion protrusions are formed, and the number thereof may be changed as necessary.
도 5에는 변형부의 다른 형태가 도시되어 있다. 즉, 도 5에 도시된 실시예에서는 변형부(110')가 계단형태가 아닌 아치형으로 이루어져 있으며, 너트에 의한 압력에 의해 변형될 수 있도록 한다. 아치형의 변형부는 사각면으로 구성된 계단형에 비해 가공이 어렵지만, 아치모양을 다단으로 제작할 경우에 사각형에 비해 변형 효과는 더 우수하다. 즉, 사각형으로만 구성되는 경우 각각의 꼭지점 부위에 응력 집중 현상이 발생될 수 있어 연속적인 변형이 어렵지만, 아치형의 경우 이러한 응력 집중 현상 없이 연속적으로 변형이 가능하므로 보다 효과적인 응력 분산을 얻을 수 있다.5 shows another form of the deformable portion. That is, in the embodiment shown in FIG. 5, the deformable portion 110 'is formed in an arc shape instead of a step shape, and can be deformed by pressure by a nut. The arched part is more difficult to process than the staircase consisting of the rectangular surface, but the deformation effect is better than that of the square when the arch shape is made in multiple stages. That is, in the case of only a quadrangle, stress concentration may occur at each vertex, and thus, continuous deformation is difficult. However, in the case of an arch, continuous deformation may be performed without such stress concentration, so that more effective stress distribution may be obtained.
도 6 내지 도 8에는 상기 보강판의 변형예가 도시되어 있으며, 모두 도 2에서 B-B'선에 따른 단면에 해당하는 것이다..6 to 8 show a modified example of the reinforcing plate, all of which correspond to the section taken along the line B-B 'in FIG.
도 6을 참조하면, 보강판(230)은 판재 중 관통공(234)이 위치하는 부분의 배면의 두께를 상대적으로 얇게 함으로써 엔드 플레이트와 직접적으로 접촉하지 않도록 한 것이다. 따라서, 너트 체결로 인해 발생된 압력은 일단 관통공(234) 주위부분을 변형시킨 후 다른 부분으로 분산되며, 이로 인해 상대적으로 높은 압력이 발생되는 관통공(234) 주위의 면이 직접 엔드 플레이트를 가압하지 않으므로 집중 하중력에 의해서 발생할 수 있는 국부 응력 집중현상을 방지할 수 있으며, 보다 균일하게 응력을 분산시킬 수 있게 된다.Referring to FIG. 6, the reinforcing plate 230 is formed so as not to be in direct contact with the end plate by relatively thinning the thickness of the rear surface of the portion of the plate where the through hole 234 is located. Therefore, the pressure generated due to the nut is first deformed around the through hole 234 and then distributed to other parts, whereby the surface around the through hole 234 where a relatively high pressure is generated directly touches the end plate. Since it is not pressurized, it is possible to prevent local stress concentration caused by the concentrated load force and to distribute the stress more uniformly.
도 7에서는 상기 보강판(330)을 상판(336) 및 하판(338)으로 이루어지는 이중 구조를 갖도록 하며, 상판과 하판의 사이에 다수의 종지지부(339)를 형성하였다. 따라서, 너트에 의해 발생된 응력은 관통공(334)의 주위부분을 변형시키면서 상판(336)의 나머지 부분으로 전달되고, 이는 다시 종지지부(339)를 통해 하판(338)으로 전달되므로 응력이 고르게 분산된다. 아울러, 상대적으로 적은 중량을 가지면서도 충분한 강도를 가질 수 있다.In FIG. 7, the reinforcing plate 330 has a double structure including an upper plate 336 and a lower plate 338, and a plurality of longitudinal support parts 339 are formed between the upper plate and the lower plate. Therefore, the stress generated by the nut is transmitted to the rest of the upper plate 336 while deforming the periphery of the through hole 334, which is in turn transferred to the lower plate 338 through the longitudinal support 339, so that the stress is evenly distributed. Is dispersed. In addition, it may have sufficient strength while having a relatively low weight.
도 8에서는 너트가 체결되는 관통공(434)의 주위부분에만 이중구조를 갖도록 한 것이다. 즉, 양단 및 중앙부에 위치하는 관통공의 상부에 너트 지지부(436, 437)를 형성하여 너트에 의한 압력이 직접적으로 엔드 플레이트로 전달되는 것을 방지하도록 한 것이다.In FIG. 8, only the peripheral portion of the through hole 434 to which the nut is fastened has a dual structure. That is, the nut support portions 436 and 437 are formed on the upper ends of the through holes positioned at both ends and the center portion, so that the pressure by the nut is not directly transmitted to the end plate.
한편, 도 9는 본 발명의 타당성을 검증하기 위해서 100*58(mm)의 엔드 플레이트를 7cell 스택에 적용하여 측정한 변형률을 나타낸 것이다. 실험용 엔드 플레이트의 두께는 10mm이고, 외부 체결용으로 M5 나사를 이용하였다. 재질은 엔지니어링 플라스틱인 울템을 사용하였다.On the other hand, Figure 9 shows the strain measured by applying the end plate of 100 * 58 (mm) to the 7 cell stack in order to verify the validity of the present invention. The thickness of the experimental end plate was 10 mm and M5 screws were used for external fastening. The material used was Ultem, an engineering plastic.
도 8에 나타난 변형률은 엔드 플레이트 중에서 전류 집합체와 접하는 부분의 변형률을 나타낸 것으로 과중한 토크가 가해지더라도 변형이 적어야 우수한 성능을 나타낸다. 도 8의 곡선 중 상부에 위치하는 직선은 별도의 보강재가 없는 종래의 엔드 플레이트에 관한 것이고, 하부에 위치하는 직선이 본 발명에 따른 보강재 및 변형부가 적용된 것이다.The strain shown in FIG. 8 represents the strain of the end plate in contact with the current aggregate, and shows a good performance when the strain is small even when excessive torque is applied. The straight line located at the top of the curve of Figure 8 relates to a conventional end plate without a separate reinforcement, the straight line located at the bottom is applied to the reinforcement and deformation according to the present invention.
종래의 엔드 플레이트에서는 가해지는 토크가 증가할수록 엔드 플레이트의 변형도 커지므로 이러한 변형에 의해 전류 집합체와 불균일하게 접하게 된다. 그러나, 본 발명에 의한 엔드 플레이트에서는 토크가 증가하더라도 엔드 플레이트는 거의 변형되지 않는데 이는 상기 변형부가 우선적으로 변형되면서 증가하는 토크를 흡수한 결과이다. 수치적으로는 약 90% 이상의 변형률 감소 효과를 얻었다.In the conventional end plate, as the torque applied increases, the deformation of the end plate also increases, so that such deformation causes non-uniform contact with the current aggregate. However, in the end plate according to the present invention, even if the torque is increased, the end plate is hardly deformed, which is the result of absorbing the increasing torque while the deformation is preferentially deformed. Numerically, a strain reduction effect of about 90% or more was achieved.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 엔드 플레이트는 체결에 의하여 발생할 수 있는 변형이 추가 소요 부품없이 변형부에 의해서 전류 집합체와 접촉하지 않는 부분에서의 변위를 극대화하여 상대적으로 전류 집합체와 접촉하는 부분에서의 변위를 극소화시킬 수 있도록 설계되어지고 체결되므로, 스택 내부로 전달되는 압축응력이 균일하게 분포되기 때문에 신뢰성이 우수한 체결용 스택을 제공한다는 장점이 있다. According to the present invention having the above configuration, the end plate is relatively in contact with the current aggregate by maximizing the displacement in the portion that does not come into contact with the current aggregate by the deformable portion without additional parts required by the deformation. Since it is designed and fastened to minimize displacement in the part, there is an advantage of providing a fastening stack having excellent reliability since the compressive stress transmitted to the inside of the stack is uniformly distributed.
또한, 보강판을 추가하여 엔드 플레이트의 두께를 더욱 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 보강판의 형상에 따라 내부로의 압축력 전달 효과를 극대화 할 수 있다. 아울러, 보강판의 연결바아가 관통하는 부분에 있어서, 엔드 플레이트와 접촉시키지 않으므로 체결용 너트에 의해 발생할 수 있는 국부 응력 집중 현상이 보강판을 통하여 분산되므로, 작은 체결력으로도 원하는 균일한 압축 응력 분포를 얻을 수 있다.In addition, the thickness of the end plate can be further reduced by adding a reinforcement plate, and the compressive force transmission effect to the inside can be maximized according to the shape of the reinforcement plate. In addition, in the part where the connecting bar of the reinforcing plate penetrates, the local stress concentration phenomenon which may be caused by the fastening nut is dispersed through the reinforcing plate because it is not in contact with the end plate. Can be obtained.
도 1은 종래의 연료전지 스택의 체결구조를 도시한 분해 사시도이다.1 is an exploded perspective view illustrating a fastening structure of a conventional fuel cell stack.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 체결구조의 일 실시예를 도시한 분해 사시도이다.2 is an exploded perspective view showing an embodiment of a fastening structure of a fuel cell stack according to the present invention.
도 3은 도 2에 도시된 실시예 중 선 A-A'에 따른 엔드 플레이트의 단면을 도시한 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a cross section of the end plate taken along the line A-A 'in the embodiment shown in FIG.
도 4는 도 2에 도시된 실시예 중 보강판을 도시한 측면도이다.4 is a side view showing a reinforcing plate of the embodiment shown in FIG.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 체결구조의 다른 실시예 중 엔드 플레이트의 단면을 도시한 도 3 상당도이다.5 is a diagram corresponding to FIG. 3 showing a cross section of an end plate of another embodiment of a fastening structure of a fuel cell stack according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 체결구조의 다른 실시예 중 도 2의 B-B'선에 따른 보강판의 단면을 도시한 단면도이다.6 is a cross-sectional view showing a cross-section of the reinforcing plate along the line B-B 'of Figure 2 of another embodiment of the fastening structure of the fuel cell stack according to the present invention.
도 7은 보강판의 또 다른 실시예를 도시한 단면도이다.7 is a cross-sectional view showing another embodiment of the reinforcing plate.
도 8은 보강판의 또 다른 실시예를 도시한 단면도이다.8 is a cross-sectional view showing another embodiment of the reinforcing plate.
도 9는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 일 실시예에 대한 변형률을 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing a strain rate for an embodiment of a fuel cell stack according to the present invention.
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