KR101106237B1

KR101106237B1 - 연료전지 스택의 체결장치

Info

Publication number: KR101106237B1
Application number: KR1020100074324A
Authority: KR
Inventors: 홍성국; 동상근
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-01-20

Abstract

개구부가 일 측에 형성되고, 냉각유체 입구 및 냉각유체 출구를 포함하는 쿨링캡, 상기 개구부를 커버하고 연료전지 스택의 일측과 접하는 이동판 및 상기 이동판과 상기 쿨링캡를 사이에 개재되어, 상기 스택의 적층 방향으로 탄성 운동하는 탄성부재를 포함하는 쿨링챔버; 상기 쿨링캡과 체결되는 제1 고정부재; 및 상기 연료전지 스택의 타측에 접하고, 상기 제1 고정부재와 연결바으로 고정된 제2 고정부재를 포함하는 연료전지 스택의 체결장치는 고온의 운전상태에서도 체결을 위한 스프링의 탄성을 유지할 수 있어, 셀간의 온도변화에 따른 열팽창 수축에 따른 변형을 일정부분 허용하여 셀의 파손을 방지하면서, 일정 이상의 압력을 가할 수 있어, 전류 집전 또는 공급을 안정적으로 제공할 수 있다.

Description

연료전지 스택의 체결장치{Apparatus for fastening fuel cell stack}

본 발명은 셀의 열변형에 의한 파손을 방지할 수 있는 연료전지 스택의 체결장치에 관한 것이다.

차세대 연료전지로 불리는 고체산화물 연료전지는, 산소 또는 수소 이온전도성을 띄는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써 1937년에 Bauer와 Preis에 의해 처음으로 작동되었다. 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 알칼리형, 인산형, 용융탄산염, 고체산화물 및 고분자 연료전지로 분류된다.

고체산화물 연료전지는 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700 - 1000 ℃)에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어 져있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다.

또한, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점 때문에 고체산화물 연료전지에 관한 연구는 21세기초 상업화를 목표로 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 활발히 이루어지고 있다.

원하는 대량의 전기 또는 수전해 되는 수소를 얻기 위해서는 평관형, 평판형 등의 형태를 갖는 셀이 각각 이웃 셀들과 전기적으로 연결되어야 하므로 각각의 셀들간을 체결을 어떻게 하느냐가 중요한 기술 중의 하나이다.

이 때, 시동 전 상태(상온)와 정상운전상태(700~1000°C)간의 큰 온도차이로 발생되는 재질의 열팽창/수축에 따른 특성과 약한 취성 성질의 세라믹 특성으로 인해 셀이 파손될 가능성이 높기 때문에 이러한 부분들을 잘 고려해야 한다.

그러므로 SOFC 및 SOEC의 스택 설계시 높은 고온에서도 셀 간의 전기 전도성을 유지시키기 위해 셀간의 접촉을 잘 유지하면서 셀이 파손되지 않는 스택 체결 방식이 필요하다.

본 발명은 셀의 열변형에 의한 파손을 방지할 수 있는 연료전지의 스택 체결장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 연료전지 스택의 체결장치는 개구부가 일 측에 형성되고, 냉각유체 입구 및 냉각유체 출구를 포함하는 쿨링캡, 상기 개구부를 커버하고 연료전지 스택의 일측과 접하는 이동판 및 상기 이동판과 상기 쿨링캡를 사이에 개재되어, 상기 스택의 적층 방향으로 탄성 운동하는 탄성부재를 포함하는 쿨링챔버; 상기 쿨링캡과 체결되는 제1 고정부재; 및 상기 연료전지 스택의 타측에 접하고, 상기 제1 고정부재와 연결바으로 고정된 제2 고정부재를 포함한다.

또한, 상기 탄성부재로 스프링을 이용할 수 있다.

또한, 상기 제1 고정부재의 외주변과 상기 쿨링캡의 개구부는 실링을 통해 밀폐될 수 있다.

또한, 상기 냉각유체 입구는 공기공급부와 연결되고, 상기 냉각유체 출구는 상기 스택의 공기극과 연결되도록 구성할 수 있다.

또한, 상기 제1 고정부재는 상기 쿨링캡의 상부에 체결되거나, 상기 제1 고정부재는 상기 쿨링캡과 일체형으로 구성할 수 있다.

본 발명의 연료전지 스택의 체결장치는 고온의 운전상태에서도 체결을 위한 스프링의 탄성을 유지할 수 있어, 셀간의 온도변화에 따른 열팽창 수축에 따른 변형을 일정부분 허용하여 셀의 파손을 방지하면서, 일정 이상의 압력을 가할 수 있어, 전류 집전 또는 공급을 안정적으로 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 연료전지 스택의 체결장치와 연료전지 스택의 결합관계를 나타낸 사시도
도 2는 본 발명의 연료전지 스택의 체결장치의 일 실시예를 나타낸 단면사시도.
도 3은 본 발명의 연료전지 스택의 체결장치의 다른 실시예를 나타낸 측면도.
도 4는 본 발명의 연료전지 스택의 체결장치의 일 실시예를 나타낸 부분단면도.
도 5는 본 발명의 연료전지 스택의 체결장치의 다른 실시예를 나타낸 부분단면도.

도 1은 본 발명의 연료전지 스택의 체결장치와 연료전지 스택의 결합관계를 나타낸 사시도로서, 스택(1), 셀(2), 집전판(3). 매니폴더(4)와 연료전지 스택의 체결장치(10)의 각 구성이 도시되어 있다.

셀(2)은 공기극과 연료극 그리고 그 사이에 개재된 전해질을 주요 구성으로 하며 수소를 연료로 하여 전기를 발생하는 연료전지의 기본 모듈이다. 셀(2)은 도 1에 도시된 바와 같이 적층되고, 가장 최외각의 셀에는 각 셀(2)에서 생성된 전기를 수집하는 집전판(3)이 위치하며, 이러한 적층된 구조를 스택(1)이라 한다.

이러한 적층구조인 스택(1)에서 각 셀(2)은 이웃 셀(2)과 전기적으로 연결되어야 하므로 각각의 셀(2)간의 체결이 중요한 기술이다. 특히 연료전지는 700~1000℃의 고온에서 작동하게 되므로 셀(2)의 열변형에 따른 힘과 약한 취성 성질의 세라믹 특성으로 인해 셀(2)이 파손될 우려가 있다.

즉, 고온에서도 전도성을 유지시키기 위해 셀(2)간의 접촉을 유지시키고 셀(2)이 파손되지 않는 스택(1) 체결방식이 필요하다.

셀(2)이 적층될 때 전류 흐름을 원활하게 하기 위해 압력을 가해 각 셀(2)을 서로 밀착시켜야 한다. 단순 볼트(15) 체결을 이용하여 고정하는 경우에는 일정 압축력이 가할 수 있지만 고정된 형태는 셀(2)간의 이격을 허용하지 않으므로 결국 단위 셀(2)의 파단을 일으키게 된다.

본 발명은 연료전지 스택(1)의 셀(2)간의 열변형에 의한 이격을 허용하여 셀(2)의 파손을 방지하면서, 셀(2)간의 접촉을 유지할 수 있도록 일정한 압력을 가할 수 있는 스택 체결장치에 관한 것이다.

도 2는 본 발명의 연료전지 스택의 체결장치를 나타낸 단면사시도로서, 연료전지 스택의 체결장치는 쿨링챔버(10), 제1 고정부재(21), 제2 고정부재(22) 및 연결바(25)를 포함한다.

제1 고정부재(21)와 제2 고정부재(22)는 스택(1)의 상하에 결합하여 각각의 셀(2)간 접촉이 유지되도록 눌러주는 역할을 한다. 제1 고정부재(22)와 제2 고정부재(22)는 각각 연결바(25)를 통해 체결되며, 연결바(25)의 길이는 일정하므로 , 제1 고정부재(22)와 제2 고정부재(22)의 거리는 변화하지 않으면서, 스택을 눌러주는 역할을 한다.

제1 고정부재(22)와 제2 고정부재(22)는 반드시 1개의 부재로 이루어질 필요는 없고, 도 1에 도시된 바와 같이 서로 연결바(25)로 체결될 수 있다면 복수 개의 판으로 구성될 수도 있다.

쿨링챔버(10)는 이동판(11), 개구부가 형성된 쿨링캡(13), 탄성부재(14) 및 냉각유체 입구와 출구(16,17)를 포함한다. 쿨링챔버(10)는 셀의 변형에 따른 스택의 높이 변화를 수용하기 위해 필요하며, 탄성부재(14)를 이용하여 스택의 높이 변화를 수용한다.

쿨링캡(13)은 일측에 개구부가 형성되고 내부에 빈 공간이 형성된 부재로서, 쿨링캡(13)의 일 실시예로서 도 2에 도시된 쿨링캡(13)은 하측으로 개구부가 형성된 직육면체 박스 형상을 하고 있으나, 반드시 이에 국한되지는 아니한다.

쿨링캡(13)은 제1 고정부재(21)와 체결되어, 결과적으로 쿨링캡(13)과 제2 고정부재(22)와의 거리가 일정하게 유지된다. 쿨링캡(13)은 제1 고정부재(21)와 도 1에 도시된 바와 같이 별개의 부재로 형성될 수도 있으나, 본 발명의 연료전지 스택의 체결장치의 다른 실시예를 나타낸 도 3에 도시된 바와 같이 일체형으로 형성될 수도 있다.

이동판(11)은 판형상의 부재로 일면은 연료전지 스택(1)의 일측과 접하면서, 쿨링캡(13)의 개구부와 끼워맞춤방식으로 체결된다. 끼워맞춤방식이란, 쿨링캡(13)의 개구부와 이동판(11)의 형상이 상응하여, 이동판(11)가 쿨링캡(13)의 개구부에 삽입되어 결합하는 것을 의미한다.

이때, 이동판(11)는 쿨링캡(13)의 내측면에 결합한 탄성부재(14)에 의해 연결되며, 탄성부재(14)는 이동판(11)의 면에 직각방향 즉, 스택(1)의 적층방향으로 탄성 운동한다. 도 2에서는 탄성부재(14)의 예로 스프링이 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다.

즉, 쿨링캡(13)과 제2 고정부재(22)의 간격은 고정되어 있지만, 이동판(11)와 쿨링캡(13)의 거리 및 이동판(11)와 제2 고정부재(22)의 거리는 탄성부재(14)의 탄성운동에 따라 달라질 수 있다.

다만, 스프링과 같은 탄성체는 탄성계수가 허용될 수 있는 온도 범위에서만 정상적인 운전이 가능한 바, 연료전지가 가동되는 700℃이상의 온도에서는 탄성을 잃어버려 탄성부재(14)로서 역할을 할 수 없게 된다.

본 발명에서는 탄성부재(14)의 탄성을 유지하기 위해 탄성부재(14)를 냉각시는 냉각유체를 사용한다.

냉각유체 입구(16) 및 냉각유체 출구(17)는 쿨링캡(13)에 형성되어 냉각유체가 쿨링캡(13)의 내부를 관통하여 흐르면서, 탄성부재(14)를 냉각할 수 있도록 냉각유체의 출입구 역할을 한다. 냉각유체는 냉각수와 같은 액체를 이용할 수도 있고, 차가운 공기를 냉각유체로 이용할 수 있다.

냉각유체로서 공기를 사용하는 경우 냉각유체 입구(16)는 공기공급부와 연결되고, 냉각유체 출구(17)는 스택(1)의 공기극과 연결되도록 구성하면, 온도가 높아진 공기가 연료전지의 공기극에 공급된다. 이 경우 공기극에 공급할 공기를 예열함으로써 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.

이때, 냉각유체가 쿨링캡(13)의 내부를 통과할 때 외부로 새어나오지 않게 하기 위해서는 이동판(11)의 외주변과 상기 쿨링캡의 개구부는 실링(18,19)을 통해 밀폐되어야 한다.

다만, 이동판(11)은 스택(1)의 적층높이가 셀(2)의 변형에 의해 달라지는 경우 움직이게 되므로, 이러한 움직임을 고려하여 실링은 고무와 같이 변형가능한 소재를 사용하거나, 구조적으로 이동판(11)이 움직일 수 있으면서, 이동판(11)과 쿨링캡(13) 사이의 공간을 막을 수 있는 형상을 이용할 수 있다.

도 4는 탄성이 있어 형상이 변형 가능한 실링(18)을 이용한 일 실시예를 나타낸 도면으로서, 이동판(11)의 움직임에 따라 실링(18)이 변형되고, 실링(18)의 단부(18a, 18b)는 쿨링캡(13)과 이동판(11)에 고정되므로 쿨링캡(13)의 내부는 밀폐상태로 유지된다.

도 5는 구조적으로 이동판(11)이 움직일 수 있으면서, 이동판(11)과 쿨링캡(13)의 개구부 사이의 공간을 막을 수 있는 실링(19)의 일 실시예를 나타낸 도면으로서, 이동판(11)의 외주변을 따라, 쿨링캡(13)의 개구부 사이에 원통형상을 한 실링을 개재한다.

실링(19)은 원통형상이므로 이동판(11)이 상하로 움직일 때 그 움직임에 상응하여 회전이 가능하고 쿨링캡(13)의 개구부와 이동판(11) 사이를 밀폐한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 쿨링챔버 11: 이동판
13: 쿨링캡 14: 탄성부재
16: 냉각유체 입구 17: 냉각유체 출구
18,19: 실링 21: 제1 고정부재
22: 제2 고정부재 25: 연결바

Claims

개구부가 일 측에 형성되고, 냉각유체 입구 및 냉각유체 출구를 포함하는 쿨링캡, 상기 개구부에 끼워맞춤방식으로 체결하고 연료전지 스택의 일측과 접하는 이동판 및 상기 이동판과 상기 쿨링캡의 사이에 개재되어, 상기 스택의 적층 방향으로 탄성 운동하는 탄성부재를 포함하는 쿨링챔버;
상기 쿨링캡과 체결되는 제1 고정부재; 및
상기 연료전지 스택의 타측에 접하고, 상기 제1 고정부재와 연결바으로 고정된 제2 고정부재를 포함하는 연료전지 스택의 체결장치.
제1항에 있어서,
상기 탄성부재는 스프링인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결장치.
제1항에 있어서,
상기 이동판의 외주변과 상기 쿨링캡의 개구부는 실링을 통해 밀폐되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결장치.
제1항에 있어서,
상기 냉각유체 입구는 공기공급부와 연결되고,
상기 냉각유체 출구는 상기 스택의 공기극과 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 고정부재는 상기 쿨링캡의 상부와 체결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
제1항에 있어서,
상기 제1 고정부재는 상기 쿨링캡과 일체형인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.