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燃料電池用スタック締結機器
説明

燃料電池用スタック締結機器

【課題】燃料電池の面圧を均一に維持することができ、パッケージ効率を向上させることができる燃料電池用スタック締結機器を提供する。
【解決手段】本発明は、スタック両端部に装着されたエンドプレートを締結するワイヤーと、アップエンドプレートの上部に装着されて、前記ワイヤーのテンションを調整するテンショナーと、前記テンショナーの上下移動を案内するために中央溝を備え、前記テンショナーを囲む構造で形成されるテンションガイドと、前記テンショナー両側に設置され、スタック上部のワイヤーを案内する上部ガイドと、ダウンエンドプレートの下部両側に装着されて、スタック下部のワイヤーを案内する下部ガイドと、を含めて構成され、前記テンショナーはアップエンドプレートの上部にテンションボルトで装着されて、ネジ移動方式により上下の高さが調節され、前記ワイヤーのテンションを調整することを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は燃料電池用スタック締結機器に係り、より詳しくは、燃料電池スタックにワイヤーを使用して締結し、ワイヤーの広い弾性領域を活用することによって燃料電池の面圧を均一に維持することができ、少ない材料の使用により高強度の締結力を確保することで、燃料電池を軽量化し、パッケージ効率性を大幅向上させることができる燃料電池用スタック締結機器に関する。
【背景技術】
【0002】
一般的に燃料電池スタックとは、単位セルを反復的に積層した電気エネルギーの発生装置を言う。
このような燃料電池スタックは、分離板、ガス拡散層(GDL)、ガスケットなどが100〜200個ずつ積層され、その両端をエンドプレートで支持する。
また、両端のエンドプレートは、通常、バンドまたは長い全ネジ山(full thread of a screw)を利用して締結する。
しかし、スタック構成中、ゴム材質からなるガスケットは粘弾性を有しており、時間の経過につれて初期の締結力が低下する傾向があり、スタックが作動する温度によってもその特性が異なり、均一な締結力を維持することが難しい。
【0003】
このようなガスケットの不安定な締結力を補完するために、両端のエンドプレートはボルトまたはバンドにより締結している。
以下、添付図面を参照して従来の燃料電池スタック締結構造の問題点を説明する。
図1(a)は従来のボルト式の燃料電池スタック締結構造の断面図、図1(b)は従来のバンド式の燃料電池スタック締結構造の断面図である。
図1(a)に示す通り、ボルト10を使用してエンドプレート20を締結する場合、スタック50の全体積が増加してスタック50をパッケージ化することが難しい他、ボルト10によりスタック50の重量が増加し、さらに、ボルト10の長さ方向に荷重が作用する際、ネジ部に応力が集中してその部位が容易に破損する問題がある。
図1(b)に示す通り、バンド30を使用してエンドプレート20を締結する場合、スタック60の面圧調整が不可能となり、また、バンド30のサイズが不均一であるため、初期面圧コントロールが難しい問題がある。
【特許文献1】特開2007−294289号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は前記のような問題点を勘案してなされたものであり、本発明の目的は、燃料電池の面圧を均一に維持することができ、パッケージ効率を向上させることができる燃料電池用スタック締結機器の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
前記目的を達成するための本発明は、スタック両端部に装着されたエンドプレートを締結するワイヤーと、アップエンドプレートの上部に装着されて、前記ワイヤーのテンションを調整するテンショナーと、前記テンショナーの上下移動を案内するために中央溝を備え、前記テンショナーを囲む構造で形成されるテンションガイドと、前記テンショナー両側に設置され、スタック上部のワイヤーを案内する上部ガイドと、ダウンエンドプレートの下部両側に装着されて、スタック下部のワイヤーを案内する下部ガイドと、を含めて構成されることを特徴とする。
【0006】
前記テンショナーはアップエンドプレートの上部にテンションボルトで装着されて、ネジ移動方式により上下の高さが調節され、前記ワイヤーのテンションを調整することを特徴とする。
【0007】
前記テンショナー、上部ガイドおよび下部ガイドは、前記ワイヤーが装着される部位に案内溝が形成され、前記ワイヤーが互いに絡まらないようにすることを特徴とする。
【0008】
前記下部ガイドは、引っかけ溝が前記下部ガイド案内溝に直角に形成され、前記ワイヤーの両端部には前記引っかけ溝に差し込まれる引っかけ金具が装着され、前記ワイヤーはピアノ鋼線または形状記憶合金からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明による燃料電池用スタック締結機器は下記の効果を有する。
1)燃料電池スタックにワイヤーを使用して締結し、ワイヤーの広い弾性領域を活用することによって燃料電池の面圧を均一に維持することができる。
2)少ない材料により高強度の締結力を確保することで、燃料電池を軽量化し、パッケージ効率を大幅向上させることができる。
3)テンショナーの上下移動によりワイヤーの張力を調節し、燃料電池の面圧を調整し、燃料電池の面圧と直結する張力を容易に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して詳しく説明する。
【実施例】
【0011】
図2は本発明による燃料電池スタック締結器具の上部斜視図であり、図3は図2の下部斜視図であり、図4〜図6は本発明による燃料電池スタック締結器具の詳細図である。
図2および図3に示す通り、本発明による燃料電池スタック締結器具は、アップエンドプレート100の上部に装着されたテンショナー110および上部ガイド130にワイヤー200を巻き、ダウンエンドプレート140の下部に装着された下部ガイド150に引っかけ金具160を挿入して燃料電池スタックを締結することで、燃料電池の面圧を均一に維持することができる。
【0012】
本発明に使用されるワイヤー200は、一端部が下部ガイド150の引っかけ溝151に差し込まれる引っかけ金具160と連結され、アップエンドプレート100の上部に装着された上部ガイド130およびテンショナー110に巻かれ、下部ガイド150の異なる引っかけ溝に引っかけ金具を介して装着される。
ここで、ワイヤー200はピアノ線が好ましいが、実施例ではスプリング鋼製であり、その直径は0.1〜5mmで必要に応じてより合せてロープを作り使用することが可能である。
特に、スプリング鋼の断面の直径が約1mmである場合、破裂荷重が約1230Nであり、引張強度が約1516MPaに達する。
【0013】
更に、ピアノ線が線引き(Drawing)などの工程を通してワイヤー200で製作されると、既存のボルトやバンドなどで発生していた不純物、気孔などの欠陥を最小にし、理論値に近い強度を得ることで、燃料電池スタックの軽量化およびパッケージ化に寄与できる。
併せて、ワイヤー200として超弾性合金を使用する際、弾性領域をスプリング鋼に比べ、約8〜10倍増加させることができ、形状記憶合金を使用する際は、燃料電池作動温度(摂氏約80℃)でスタックの熱膨張による面圧変化に対するワイヤー200の補正が容易に行われる。
【0014】
ワイヤー200のテンションを調整するために、アップエンドプレート100の上部には図4に示す複数のテンショナー110がテンションボルト111により装着され、ネジ式により上下位置の調節が可能であり、その高さによってワイヤー200のテンションを調節する。
即ち、ネジを一方向に回転させてテンショナーが上昇する場合、ワイヤーのテンションは増加し、ネジを前記と反対方向に回転させ、テンショナーが下降する場合、ワイヤーのテンションが減少することで、ワイヤーの張力状態によってテンショナーの高さを調節して燃料電池の面圧を維持させることができる。
【0015】
この時、テンショナー110の上面には一定間隔で案内溝112が形成されて、テンショナー110により支持されたワイヤー200が互いに絡まらないようにする。
また、テンショナー110が装着される位置にテンショナー110の代りに、ワイヤー200を巻くラチェットホイールを設置することが可能であり、この場合、ワイヤー200の長さに対する調整範囲が大きくなり、ワイヤー200の初期締結時、プレスをしなくともワイヤー200を組立てることが可能となる。
テンショナー110の両端部には中央溝が形成された“コ”字型のテンションガイド120がテンショナー110を包む形で装着され、テンショナー110の上下移動を案内する。
【0016】
ここで、テンションガイド120には両端部がアップエンドプレート100の上面に接するように平たい突出面121が形成されるが、この突出面121にボルト122が結合され、テンションガイド120がアップエンドプレート100に固定される。
図5に示した通り、アップエンドプレート100の上部であるテンショナー110の両側には上部ガイド130がボルト132により装着され、テンショナー110の両側に伸びるワイヤー200を下方向にガイドする。
この時、上部ガイド130はワイヤー200が接する2面に案内溝131が形成され、ワイヤー200が互いに干渉しないようにする。この上部ガイド130の案内溝131はワイヤー200への応力集中を防止するために、曲面に加工することが好ましい。
【0017】
図5および図6に示す通り、ダウンエンドプレート140の下面には下部ガイド150がボルト153で装着され、ダウンエンドプレート140に進入するワイヤー200をガイドする。
ここで、下部ガイド150は一面に上部ガイド130と同様に、一定間隔の案内溝152が形成され、この下部ガイド150の案内溝の片側には引っかけ溝151が直角に形成され、ワイヤー200端部に装着された引っかけ金具160が差し込まれる。
【0018】
即ち、ワイヤー200の両端部に装着された引っかけ金具160がダウンエンドプレート140の両側に設置された下部ガイド150の引っかけ溝151に差し込まれることで、ワイヤー200は一定テンションで張りを維持し、ワイヤー200が巻かれたテンショナー110の高さによってそのテンションが調節される。
そして、引っかけ金具160は円筒形金属部材で長く形成され、多数のワイヤー200が一定間隔で連結される。
【0019】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】(a)は従来ボルト式燃料電池スタック締結構造の断面図であり、(b)は従来のバンド式燃料電池スタック締結構造の断面図である。
【図2】本発明による燃料電池スタック締結器具の上部斜視図である。
【図3】図2の下部斜視図である。
【図4】本発明による燃料電池スタック締結器具の詳細図である。
【図5】本発明による燃料電池スタック締結器具の詳細図である。
【図6】本発明による燃料電池スタック締結器具の詳細図である。
【符号の説明】
【0021】
100 アップエンドプレート
110 テンショナー
120 テンションガイド
130 上部ガイド
140 ダウンエンドプレート
150 下部ガイド
160 引っかけ金具
200 ワイヤー

【特許請求の範囲】
【請求項1】
スタック両端部に装着されたエンドプレートを締結するワイヤーと、
アップエンドプレートの上部に装着されて、前記ワイヤーのテンションを調整するテンショナーと、
前記テンショナーの上下移動を案内するために中央溝を備え、前記テンショナーを囲む構造で形成されるテンションガイドと、
前記テンショナー両側に設置され、スタック上部のワイヤーを案内する上部ガイドと、
ダウンエンドプレートの下部両側に装着されて、スタック下部のワイヤーを案内する下部ガイドと、
を含めて構成されることを特徴とする燃料電池用スタック締結機器。
【請求項2】
前記テンショナーはアップエンドプレートの上部にテンションボルトで装着されて、ネジ移動方式により上下の高さが調節され、前記ワイヤーのテンションを調整することを特徴とする請求項1記載の燃料電池用スタック締結機器。
【請求項3】
前記テンショナー、上部ガイドおよび下部ガイドは、前記ワイヤーが装着される部位に案内溝が形成され、前記ワイヤーが互いに絡まらないようにすることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用スタック締結機器。
【請求項4】
前記下部ガイドは、引っかけ溝が前記下部ガイド案内溝に直角に形成され、前記ワイヤーの両端部には前記引っかけ溝に差し込まれる引っかけ金具が装着されることを特徴とする請求項3記載の燃料電池用スタック締結機器。
【請求項5】
前記ワイヤーはピアノ鋼線または形状記憶合金からなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池用スタック締結機器。

【図1】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2009−146877(P2009−146877A)
【公開日】平成21年7月2日(2009.7.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−161645(P2008−161645)
【出願日】平成20年6月20日(2008.6.20)
【出願人】(591251636)現代自動車株式会社 (1,064)
【出願人】(592127149)韓国科学技術院 (129)
【氏名又は名称原語表記】KOREA ADVANCED INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
【住所又は居所原語表記】373−1,Gusung−dong,Yuseong−ku,Daejeon 305−701 KR
【Fターム(参考)】