KR101082681B1 - 연료전지용 절연체 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사각틀 형상의 스플라인(spline) 구조를 가지는 연료전지용 절연체 구조 및 상기 절연체 구조를 포함하는 연료전지를 제공한다. 본 발명의 연료전지용 절연체 구조는 개선된 연료전지의 절연체 구조를 가지고, 절연체의 조립이 용이하며, 용융탄산염 연료전지의 매니폴드와 스택간의 기밀도를 향상시킬 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 연료전지는 궁극적으로 전체 효율을 향상시킬 수 있다.
절연체, 연료전지, 스플라인, 키

Description

연료전지용 절연체 구조{Dielectric Frame Structure for Fuel Cell}
본 발명은 연료전지용 절연체 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융탄산염 연료전지의 매니폴드와 스택 간의 기밀도를 향상시킬 수 있는 연료전지용 절연체 구조에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 반응물의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어 주는 발전장치로써, 기존의 다른 화학에너지와는 달리 부산물로 배출되는 것이 오직 물(H2O)뿐이어서 공해 및 소음이 거의 없으며, 반응이 간단하여 차세대 대체 에너지로 각광 받고 있다.
특히, 연료전지 중에서 용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC)는 탄산염의 용융물을 전해질로 사용하여 작동온도가 600℃ 이상이기 때문에 전기화학 반응의 속도가 빨라 저온형 연료전지와는 달리 백금등의 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 전기와 고온을 함께 이용할 경우 60% 이상의 열효율을 기대할 수 있어서 석탄 가스화에 의한 복합 열병합 발전이 가능하다.
용융탄산염형 연료전지의 단위 셀(Unit Cell)은 전기화학 반응이 일어나는 극(Anode)과 공기극(Cathode), 연료가스와 산화제 가스의 유로를 형성하는 분리판, 전하를 포집하는 집전판, 적층의 편의를 위해 시트의 형태로 제작되는 전해질 판, 용융된 탄산염을 수용하는 매트릭스로 구성된다. 용융탄산염 연료전지는 연료극으로 연료가스를 공급하고 공기극으로 산화제가스를 공급하면 각각의 전극에서 전기 화학반응이 발생하여 직류 전력을 얻을 수 있다.
이러한 단위 셀의 전압은 정격 방전시에 약 0.8~1.2V로 낮기 때문에, 실제 발전에서는 기본 구성인 단위 셀을 다수 적층하여 전압을 높이고, 셀 면적을 확장시켜 고출력화를 달성하게 된다. 이렇게 단위 셀을 여러 단 적층한 것을 스택(stack)이라 한다.
이러한 스택은 용융탄산염형 연료전지의 발전효율과 수명 및 성능을 결정하기 때문에 스택으로 연료를 공급하는 매니폴드를 구성하는 절연체는 기밀을 유지해야 함은 물론, 단위 셀간의 절연을 유지하여야 하기 때문에 절연체의 구조가 중요하다. 종래 기술들에 있어서, 절연체의 구조에 대한 개선이 어느 정도 이루어졌지만, 절연체들끼리 맞닿는 면에서 완전한 기밀을 유지하기 어렵기 때문에 전체적인 효율이 떨어진다는 문제점이 있었다.
또한, 절연체는 용융탄산염형 연료전지의 특성상 작동온도가 600℃ 정도의 고온이기 때문에 세라믹 등의 절연물질로 제작되어야 한다. 이런 경우, 절연체와 금속으로 이루어진 매니폴드와 스택 간의 열팽창에 의한 상대적인 움직임이 발생할 수 있게 되는데, 이와 같은 상대적인 움직임이 발생하더라도 내부 가스의 누설을 최소화하는 설계가 요구된다.
이에 본 발명자들은 개선된 연료전지의 절연체 구조를 가지고, 절연체의 조립이 용이하며, 용융탄산염 연료전지의 매니폴드와 스택간의 기밀도를 향상시킬 수 있고, 궁극적으로 연료전지의 전체 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 스택의 외부 매니폴드 절연체 구조를 개발하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 개선된 연료전지의 절연체 구조를 가지는 연료전지용 절연체 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 절연체의 조립이 용이한 연료전지용 절연체 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 용융탄산염 연료전지의 매니폴드와 스택간의 기밀도를 향상시킬 수 있는 연료전지용 절연체 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연료전지의 전체 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 절연체 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 연료전지용 절연체 구조는 사각틀 형상의 스플라인(spline) 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
여기서,
상기 사각틀은 키 홈을 가지는 긴 막대형 각편, 키 홈과 굴곡부를 가지는 각편 및 키로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 키의 형태는 면취된 사각형 기둥형태, 또는 반원형 기둥형태인 것을 특징으로 한다.
상기 키 및 키 홈의 서로 접촉하는 면의 경사각이 5 내지 10°인 것을 특징으로 한다.
상기 절연체는 세라믹 재질인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 절연체 구조를 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명은 개선된 연료전지의 절연체 구조를 가지고, 절연체의 조립이 용이하며, 용융탄산염 연료전지의 매니폴드와 스택간의 기밀도를 향상시킬 수 있고, 궁극적으로 연료전지의 전체 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 절연체 구조를 제공하는 발명의 효과를 가진다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료전지용 절연체 구조는 90°꺾인 모퉁이 부분의 각편과 길게 형성된 막대 형태의 각편들의 결합으로 제조된다.
본 발명에 따른 연료전지용 절연체 구조는 각각의 각편들을 사용하여 매니폴드와 스택 사이에 기밀을 유지하면서 절연 효과를 얻을 수 있는 배치를 가진다. 효과적인 절연을 유지하기 위해 절연체는 적당한 두께를 유지해야 한다. 절연체 재질로 는 보통 내열성과 내화학성이 적당한 Al2O3 등의 세라믹을 많이 사용하게 되는데, 용융탄산염형 연료전지의 작동온도는 600℃이기 때문에 스택과 매니폴드 사이에 놓인 절연체는 열팽창율의 차이가 생긴다. 이 경우 각각의 막대 형태의 조각들 간의 기밀을 유지하기 어렵게 된다. 이를 극복하기 위해 각각의 막대 형태의 조각들을 연결시키기 위한 스플라인(spline) 구조를 사용한다. 스플라인 구조는 키와 키 홈으로 이루어져있다. 키와 키 홈은 옆면에 5~10°의 단일 면의 경사가 있는 것이 특징으로, 키를 감싸는 가스켓이 용이하게 조립될 수 있는 구조이다. 이를 통해 절연체 막대를 조립하였을 경우, 기밀도가 우수하다는 이점이 있다.
아래에서는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시 예를 제공한다. 하기의 실시 예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공하는 것이고, 본 실시 예에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1는 본 발명에 따른 연료전지용 절연체 구조의 개략적인 평면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 절연체 구조는 각각의 절연체 막대를 설치하여 사각틀(10)로 이루어진다. 상기 사각틀은 긴 막대형 각편(11), 굴곡부를 가지는 각편(12) 및 키(20)로 이루어진다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 절연체의 키 홈에 대한 개략적인 부분도이 다.
도 2에 도시된 바와 같이 키와 키 홈이 맞닿는 곳(11C)은 5~10°의 경사면을 이루고 있다. 절연체 막대의 한쪽 면은 가스켓을 설치하기 적당한 홈(11A)이 형성되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 절연체의 키에 대한 개략적인 부분도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 키의 단면은 마름모꼴이고, 키의 양 옆면(20A, 20B)은 양 모서리를 면취한 형태 또는 반원 형태를 취한다. 양 측면(20C, 20D)은 5~10°의 경사가 있는 면이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 절연체가 가스켓 및 매니폴드와 결합된 것을 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 절연체는 적절한 가스켓을 사용하여 기밀을 유지하도록 설치한 형태의 단면을 가진다. 절연체 조각의 결합체(10)의 위, 아래로는 기밀을 유지하기 위한 가스켓(30)이 위치하게 되고, 이렇게 조합된 구조는 매니폴드(40) 위에 놓이게 된다.
도 1는 본 발명에 따른 연료전지용 절연체 구조의 개략적인 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 절연체의 키 홈에 대한 개략적인 부분도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 절연체의 키에 대한 개략적인 부분도이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 절연체가 가스켓 및 매니폴드와 결합된 것을 나타낸 개략적인 단면도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 절연체 결합 구조 11: 긴 막대형 각편
11A : 절연체 막대의 상단 11B: 절연체 막대의 측면
11C: 절연체 막대의 홈의 경사면 12 : 굴곡부를 가지는 각편
20 : 키 20A~20D : 키의 측면
30: 가스켓 40: 매니폴드

Claims (6)

  1. 사각틀 형상의 스플라인(spline) 구조를 가지는 것을 특징으로 하고,
    상기 사각틀은 키 홈을 가지는 긴 막대형 각편, 키 홈과 굴곡부를 가지는 각편 및 키로 이루어지며,
    상기 키 및 상기 키 홈의 서로 접촉하는 양 측면의 경사각이 5 내지 9° 로 형성되어 가스켓을 용이하게 조립시키고 상기 키 및 상기 키 홈 간의 기밀도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 절연체 구조.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 키의 형태는 면취된 사각형 기둥형태, 또는 반원형 기둥형태인 것을 특징으로 하는 연료전지용 절연체 구조.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연체는 세라믹 재질인 것을 특징으로 하는 연료전지용 절연체 구조.
  6. 제1항, 제3항 및 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 절연체 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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