KR101109222B1 - 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택은 다수의 원통형지지체와 상기 원통형지지체를 평행하게 연결하는 연결부로 구성된 일체형지지체, 상기 일체형지지체의 외부에 공기극, 전해질막 및 연료극 순으로 적층된 단위전지, 및 상기 공기극의 외주면 일측으로부터 상기 공기극의 외부방향으로 돌출되되 상기 연료극과는 이격된 연결재를 포함하는 다수의 일체형연료전지 및 일면이 상기 연료극과 선택적으로 접촉하고, 타면이 상기 연결재와 선택적으로 접촉하여 상기 다수의 일체형연료전지와 교대로 적층되는 다수의 연결판을 포함하여 구성되며, 연결판을 금속으로 제작하여 별도의 전류집전체가 필요없고 연결판을 이용하여 집전이 가능한 장점이 있다.
일체형지지체, 연료극, 공기극, 전해질막, 연결판

Description

일체형지지체를 구비한 연료전지 스택{Fuel cell stack comprising single body support}
본 발명은 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지란 연료(수소, LNG, LPG 등)와 공기의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 기존의 발전기술이 연료의 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 발전기 구동 과정을 취하는 것과 달리 연소 과정이나 구동 장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경문제를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이다.
도 1은 연료전지의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료극(1)은 수소(H2)를 공급받아 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분해된다. 수소 이온은 전해질(2)을 거쳐 공기극(3)으로 이동한다. 전자는 외부 회로(4)를 거쳐 전류를 발생시킨다. 그리고 공기극(3)에서 수소 이온과 전자, 그리고 공기 중의 산소가 결합하여 물이 된다. 상술한 연료전지(10)에서의 화학 반응식은 아래의 반응식 1과 같다.
연료극(1): H2 → 2H++ 2e-
공기극(3): 1/2 O2 + 2H++ 2e- → H20
전반응 : H2 + 1/2 O2 → H20
즉, 연료극(1)에서 분리된 전자가 외부 회로(4)를 거쳐 전류를 발생시킴으로써 전지의 기능을 수행하게 된다. 이러한 연료전지(10)는 SOx와 NOx 등의 대기오염물질을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적어 무공해 발전이며, 저소음, 무진동 등의 장점이 있다.
한편, 연료전지는 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC)등 다양한 종류가 있는데, 이 중 고체산화물 연료전지(SOFC)는 고효율 발전이 가능하고, 석탄가스-연료전지-가스터빈 등 복합 발전이 가능하며, 발전용량의 다양성을 갖고 있어서 소형, 대형 발전소 또는 분산형 전원으로 적합하다. 따라서, 고체산화물 연료전지는 향후 수소 경제 사회로의 진입을 위해 필수적인 발전기술이다.
하지만, 고체산화물 연료전지(SOFC)을 실용화하기 위해서는 몇 가지 문제점을 해결해야 한다.
첫째, 취약한 내구성과 신뢰성이다. 고체산화물 연료전지는 고온에서 작동하므로 열 싸이클에 의한 성능저하가 발생한다. 특히, 연료극이나 공기극을 다른 요소들을 위한 지지체로 사용하는 경우 세라믹소재의 특성상 그 크기가 증가하면 부품의 내구성과 신뢰성이 급격히 감소하는 경향을 보이는 문제점이 있다.
둘째, 집전의 어려움이다. 종래에는 단위전지 내부는 메탈 폼(metal foam)을 채용하고, 외부는 금속선을 채용하여 집전을 수행했다. 하지만, 이런 구조에서는 셀이 대형화 될수록 고가의 금속선 양이 증가하여 제조비용이 상승하고, 구조적으로 복잡해져 대량생산하기 힘든 문제점이 있다.
셋째, 매니폴드(manifold)와 단위전지간의 결합의 어려움이다. 단위전지에 수소등의 연료를 공급하는 매니폴드는 대개 금속으로 이루어진 반면, 단위전지는 세라믹으로 이루어져 있다. 따라서, 이종재질인 금속과 세라믹을 결합하기 위해서 브레이징(brazing) 공정을 이용한다. 하지만, 브레이징 공정은 용접과정에서 유도코일에 전압을 높이는 속도와 전압의 유지시간, 브레이징 후의 냉각조건에 따라 단위전지 내부가 막히는 경우가 발생하거나 용접불량이 발생하기도 한다.
넷째, 연료전지 성형의 어려움이다. 종래기술은 통상 압출공정을 통해 일정 한 직경을 갖는 세라믹 성형체를 제조했다. 하지만 압출공정에 상용되는 혼합 반죽은 15~20%의 물을 포함하고 있어 건조공정이 매우 주의 깊게 이루어져야 하고, 시간이 많이 소모된다. 건조공정을 빠르게 진행하면 내부 응력이 발생하여 세라믹 성형체에 균열이 발생한다. 또한, 제조되는 세라믹 성형체의 형상을 변경하기 어려운 문제점이 있다.
다섯째, 다전지식 고체산화물 연료전지의 경우 다수의 단위전지를 결합하여 스택을 형성해야하는데, 종래의 스택형성공정은 각각의 단위전지마다 복잡한 집전연결이 필요하여 성능대비 제조비용과 공정비가 높고, 단위전지의 수가 증가할수록 집전저항이 증가하여 집전효율이 떨어지는 문제점이 있다.
여섯째, 종래의 다전지식 고체산화물 연료전지는 다수의 단위전지 중 특정한 단위전지에 열점(hot spot) 발생 등으로 연료전지의 성능이 저하된 경우 문제가 발생한 단위전지를 찾아내기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 일체형지지체와 연결판을 채용하여 집전이 용이하고 효율이 높은 최적의 구조를 갖추면서도 공정을 단순화할 수 있는 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택은 다수의 원통형지지체와 상기 원통형지지체를 평행하게 연결하는 연결부로 구성된 일체형지지체, 상기 일체형지지체의 외부에 공기극, 전해질막 및 연료극 순으로 적층된 단위전지, 및 상기 공기극의 외주면 일측으로부터 상기 공기극의 외부방향으로 돌출되되 상기 연료극과는 이격된 연결재를 포함하는 다수의 일체형연료전지, 및 일면이 상기 연료극과 선택적으로 접촉하고, 타면이 상기 연결재와 선택적으로 접촉하여 상기 다수의 일체형연료전지와 교대로 적층되는 다수의 연결판을 포함하여 구성된다.
여기서, 연결판은, 최상부에 배치되어 하면이 상기 연결재와 선택적으로 접촉하는 상부연결판, 최하부에 배치되어 상면이 상기 연료극과 선택적으로 접촉하는 하부연결판, 및 상기 일체형연료전지 사이에 배치되어 상면이 상기 연료극에 선택적으로 접촉하고 하면이 상기 연결재에 선택적으로 접촉하는 중간연결판을 포함하 는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 일체형지지체는 다공성 금속인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다공성 금속은 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연결판은 다공성 금속인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다공성 금속은 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공기극, 상기 전해질막 및 상기 연료극은 상기 원통형지지체의 외부에만 선택적으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료극은 상기 연결부와 소정간격 이격되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연결부의 길이는 상기 원통형지지체의 길이보다 짧은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연결부는 상기 일체형지지체와 상기 연결판이 적층되는 방향으로 관통된 제1 연료공급로를 포함하고, 상기 연결판은 상기 일체형지지체와 상기 연결판이 적층되는 방향으로 관통된 제2 연료공급로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 연료공급로와 상기 제2 연료공급로는 서로 대응하도록 관통된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연결판은 상기 연결재와 접하는 부분에서 소정거리 이격되어 구 비된 온도계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 다수의 상기 연결판의 동일한 위치에 수직으로 형성된 관통홀, 상기 관통홀에 삽입된 지지축, 및 상기 지지축의 양단에 결합하여 다수의 상기 연결판과 다수의 상기 일체형연료전지를 고정하는 결합부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 스택에 일체형지지체를 채용함으로써, 종래의 세라믹 지지체보다 안정된 구조로 연료전지를 지지하여 내구성과 신뢰성이 향상하게 된다.
본 발명에 따르면, 연결판을 금속으로 제작하여 별도의 전류집전체가 필요없고 연결판을 이용하여 집전이 가능한 장점이 있다. 또한, 금속은 세라믹에 비해 성형이 자유로워 연료전지 스택을 다양한 형상으로 제작할 수 있고 스케일-업(scale- up)이 용이하며, 일체형지지체도 금속으로 제작하여 금속 매니폴드와의 접합과정에서 용접을 통해 완전히 밀봉하여 가스누설을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 일체형지지체와 연결판을 다공성 금속으로 제작하고, 연료공급로를 구비하여 연료극과 공기극에 연료와 공기를 효율적으로 공급할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따르면, 각 단위전지의 온도를 측정할 수 있는 온도계를 구비하여 열점(hot spot) 발생 등으로 연료전지의 성능이 저하된 경우 문제가 발생한 단위전지를 찾아낼 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따르면, 최외각층에 연료극이 적층되어 연료전지의 외부는 수소 분이기이다. 따라서, 연결판으로 산화방지를 위한 도전성 세라믹 재료를 사용할 필요가 없고 값싼 금속재료를 사용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 도면상에 표시된 O2 및 H2는 연료전지의 작동과정을 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐 연료극이나 산소극에 공급되는 기체의 종류를 제한하는 것은 아니다. 또한, "상부", "하부", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 연료전지 스택은 다수의 일체형연료전지(100)와 다수의 연결판(200)을 교대로 적층시켜 제작하는 것이다. 따라서, 전류를 발생시키는 일체형연료전지(100)에 대해 우선 설명하고, 그 후 일체형연료전지(100)와 적층되어 연료전지 스택을 완성시키는 연결판(200)에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 일체형연료전지의 단면도이고, 도 3는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 일체형연료전지의 단면도이며, 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 일체형연료전지의 사시도이다. 이를 참조하여 본 발명에 따른 일체형연료전지(100)에 대해 설명하기로 한다.
도 2 또는 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 일체형연료전지(100)는 다수의 원통형지지체(120)와 원통형지지체(120)를 평행하게 연결하는 연결부(130)로 구성된 일체형지지체(110), 일체형지지체(110)의 외부에 공기극(141), 전해질막(143) 및 연료극(145) 순으로 적층된 단위전지(140), 및 공 기극(141)의 외주면 일측으로부터 공기극(141)의 외부방향으로 돌출되되 연료극(145)과는 이격된 연결재(147)를 포함하여 구성된다.
여기서, 일체형지지체(110)는 단위전지(140)(공기극(141), 전해질막(143) 및 연료극(145))를 지지하는 역할을 한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 실질적으론 다수의 단위전지(140)가 하나의 지지체로 지지되기 때문에 구조가 안정적이고 스택제작이 용이하다. 또한, 집전을 위한 연결판(200)과의 연결도 종래의 지지체보다 안정적이다. 여기서, 일체형지지체(110)는 원통형지지체(120)와 원통형지지체(120)를 평형하게 연결하는 연결부(130)로 구성된다. 일체형지지체(110)는 단위 압출공정 등을 통해 원통형지지체(120)와 연결부(130)를 동시에 제작하거나, 원통형지지체(120)와 연결부(130)를 별도의 공정으로 제작한 후 연결하여 제작할 수 있다. 다만, 전술한 제작방법들은 예시적인 것이고, 이외의 방법을 이용하더라도 최종적인 형상이 일체형지지체(110)와 같다면 본 발명의 보호범위에 포함됨은 물론이다.
또한, 전류를 생산하기 위해서는 공기극(141)에 공기가 전달되어야 하는데, 본 실시예에 따른 일체형연료전지(100)는 일체형지지체(110)가 금속 매니폴드로부터 공기를 공급받아 공기극(141)에 이를 전달한다. 따라서, 일체형지지체(110)는 기체투과성이 있으면서 금속 매니폴드와 연결이 용이한 다공성 금속으로 구성됨이 바람직하다. 이때, 다공성 금속은 메탈폼(metal foam), 플레이트 또는 메탈파이버(metal fiber) 등을 포함한다. 더욱 바람직하게는, 연료전지의 효율, 필요한 강 도 등을 고려하여 다공성 금속은 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
한편, 연결부(130)의 상부에 적층된 단위전지(140)는 공기 공급을 받기 어려워 사실상 전류가 발생하지 않는다. 또한, 연결부(130)에 단위전지(140)가 적층되어 있으면 후술할 스택킹 과정에서 연결부(130) 최외각에 적층된 연료극(145)이 이미 연결재(147)와 접촉하고 있는 연결판(200)과 접촉되어 단락(short)이 일어날 수 있는 문제점이 있다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 단위전지(140)를 일체형지지체(110) 중 원통형지지체(120)에만 선택적으로 적층하는 것이 더욱 바람직하다. 이 경우 연결부(130)가 공기극(141), 전해질막(143) 및 연료극(145)을 관통한다. 그러므로, 연결부(130)에 의해서 공기극(141)과 연료극(145)이 통전되어 단락(short)이 발생하지 않도록 연료극(145)을 연결부(130)에서 소정간격으로 이격시키거나, 연료극(145)과 연결부(130)( 사이에 절연층(미도시됨)을 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 연료극(145)에는 연료가 공급되어야 하는데, 본 실시예에 따른 일체형연료전지(100)는 연료극(145)이 최외각에 형성되어있으므로 연료전지 외부에서 연료를 공급받는다. 그런데, 본 발명에 따른 일체형연료전지(100)가 다층으로 스택킹된 경우 일체형지지체(110)의 연결부(130)가 수직방향의 연료흐름을 차단시켜 연료전지의 효율이 낮아질 수 있다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 연결부(130) 의 길이를 원통형지지체(120)의 길이보다 짧게 가공하여 수직방향의 연료흐름을 원할하게 할 수 있다. 전술한 연결부(130)의 가공은 압출공정등을 통해서 원통형지지체(110)와 연결부(130)를 동시에 제작한 후 절단가공을 거치거나 연결부(130)를 별도로 짧게 제작하여 원통형지지체(110)와 연결하는 공정을 거친다. 또한, 일체형지지체(110)가 적층되는 방향으로 연결부(130)를 관통하는 제1 연료공급로(310)를 가공하여 연료흐름을 원할하게 할 수 있다. 이때, 제1 연료공급로(310)는 드릴링 또는 절삭가공 등을 통해 가공함이 바람직하다. 제1 연료공급로(310)는 후술할 연결판(200)에 형성된 제2 연료공급로(320)와 함께 수직방향의 연료흐름을 원활하게 해주어 일체형연료전지(100)의 효율을 높여주는 역할을 한다.
단위전지(140)를 형성하기 위한 공기극(141), 전해질막(143) 및 연료극(145) 순으로 적층되는 공정을 간단히 살펴보면, 우선, 공기극(141)은 일체형지지체(110)의 외부에 적층된다. 공기극(141)은 LSM(Strontium doped Lanthanum manganite), LSCF((La,Sr)(Co,Fe)O3)등의 조성을 슬립코팅이나 플라즈마 스프레이 코팅법등을 이용하여 코팅한 후 1200˚C 내지 1300˚C에서 소결하여 형성할 수 있다. 또한, 전해질막(143)은 공기극(141)의 외부에 적층된다. 전해질막(143)은 공기극(141)의 외부에 YSZ(Yttria stabilized Zirconia) 또는 ScSZ(Scandium stabilized Zirconia), GDC, LDC등을 슬립코팅이나 플라즈마 스프레이 코팅법등을 이용하여 코팅한 후 1300˚C 내지 1500˚C에서 소결하여 형성할 수 있다. 그리고, 연료극(145)은 전해 질막(143)의 외부에 적층된다. 연료극(145)은 전해질막(143)의 외부에 NiO-YSZ(Yttria stabilized Zirconia)를 슬립코팅이나 플라즈마 스프레이 코팅법등을 이용하여 코팅한 후 1200˚C 내지 1300˚C로 가열하여 형성할 수 있다.
연결재(147)는 통상 일체형지지체(110)에 공기극(141), 전해질막(143) 및 연료극(145)으로 순으로 적층한 후에 형성된다. 연결재(147)는 후술할 연결판(200)과 접촉하여 공기극(141)에서 발생한 전류를 연결판(200)에 전달하는 역할을 한다. 연결재(147)는 공기극(141)의 외주면 일측으로부터 공기극(141)의 외부 방향으로 돌출되어 연결판(200)과 접촉한다. 또한, 연결재(147)는 공기극(141)의 집전을 위한 부재이므로 전도성물질로 형성함이 바람직하다. 그리고, 연료극(145)과의 단락(short)를 막기 위하여 연결재(147)를 연료극(145)에서 소정간격 이격시키거나, 연료극(145)과 연결재(147) 사이에 절연층(미도시됨)을 형성하는 것이 바람직하다. 후술할 연결판(200)과의 접촉을 고려해서 연결재(147)는 모두 상향으로 돌출되게 형성하는 것이 바람직하다.
이하, 일체형연료전지(100)와 교대로 적층되어 연료전지 스택을 완성시키는 연결판(200)에 대해 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택의 사시도이다.
도 5 또는 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다수의 연결판(200)은 일면이 연료극(145)과 선택적으로 접촉하고, 타면이 연결재(147)와 선택적으로 접촉하며 다수의 일체형연료전지(100)와 교대로 적층된다.
연결판(200)은 일체형연료전지(100)와 적층되어 연료전지 스택을 형성하는 역할을 할 뿐아니라 일체형연료전지(100)에서 발생한 전류를 집전하는 역할을 한다. 따라서, 연결판(200)은 연료극(145) 및 공기극(141)에서 연장된 연결재(147)와 접촉해야 한다. 그런데, 동일한 연결판(200)에 동일한 일체형연료전지(100)의 연료극(145) 및 연결재(147)가 동시에 접촉하는 경우 단락(short)이 발생한다.
도 5를 참조하면, 단락(short) 발생을 방지하기 위해서 일체형연료전지(100)의 하부에 위치한 연결판(200)은 연료극(145)과 선택적으로 접촉하고, 일체형지지체(110)의 연결부(130)와 접촉해서는 안된다. 또한, 일체형연료전지(100)의 상부에 위치한 연결판(200)은 연결재(147)와 선택적으로 접촉하고 연료극(145)과 접촉해서는 안된다. 따라서, 연결판(200) 중 연결재(147)에 접촉하는 부분을 돌출하도록 형성하거나, 또는 연결재(147)가 연료극(145)보다 더 돌출되도록 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 연결판(200)은 연료전지 스택의 최상부에 배치된 상부연결판(210), 최하부에 배치된 하부연결판(220) 및 다수의 일체형연료전지(100) 사이에 배치된 중간연결판(230)으로 구성된다. 여기서, 중간연결판(230)은 상면이 연료극(145)에 선택적으로 접촉하고 하면이 연결재(147)에 선택적으로 접촉한다. 반면, 상부연결판(210)의 상면에는 일체형연료전지(100)가 배치되지 않으므로 하면만 연결재(147) 와 선택적으로 접촉한다. 상부연결판(210)과 반대로, 하부연결판(220)의 하면에는 일체형연료전지(100)가 배치되지 않으므로 상면만 연료극(145)과 선택적으로 접촉한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 두개의 일체형연료전지(100)와 세개의 연결판(200)이 적층된 경우를 예를 들어 본 발명에 따른 연료전지 스택의 연결구조에 대해 살펴보면, 하부연결판(220), 연료극(145), 연결재(147), 중간연결판(230), 연료극(145), 연결재(147) 및 상부연결판(210) 순으로 연결된다. 이는, 두개의 일체형연료전지(100)가 직렬연결된 것으로, 하부연결판(220)에서는 음전류(연료극(145))를 집전할 수 있고, 상부연결판(210)에서는 양전류(공기극(141))를 집전할 수 있다. 또한, 적층되는 일체형연료전지(100)의 수를 증가시켜 더욱 높은 전압을 얻을 수 있음은 물론이다.
그리고, 연결판(200)은 일체형연료전지(100)에서 발생한 전류를 집전하는 역할뿐 아니라 외부의 연료를 연료극(145)에 전달해주는 역할도 수행해야 한다. 따라서, 연결판(200)은 기체투과성이 있으면서 집전이 가능한 다공성 금속으로 구성됨이 바람직하다. 이때, 다공성 금속은 메탈폼(metal foam), 플레이트 또는 메탈파이버(metal fiber) 등을 포함한다. 더욱 바람직하게는, 연료전지의 효율, 필요한 강도 등을 고려하여 다공성 금속은 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
또한, 일체형연료전지(100)가 연결판(200)에 의해 다층으로 스택킹된 경우 연결판이 수직방향의 연료흐름을 차단시켜 연료전지의 효율이 낮아질 수 있다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 연결판(200)을 관통하는 제2 연료공급로(320)를 가공하여 연료흐름을 원할하게 할 수 있다. 이때, 제2 연료공급로(320)는 드릴링 또는 절삭가공 등을 통해 가공함이 바람직하다. 또한, 제1 연료공급로(310)와 제2 연료공급로(320)를 서로 대응하게 형성하여 연료전지 스택의 최상부에서 최하부까지의 연료흐름을 더욱 원할하게 할 수 있다.
한편, 일체형연료전지(100)의 특정한 부분에서 열점(hot spot) 등 이상이 발생할 경우를 대비해서 연결판(200) 내 연결재(147)와 접하는 부분에서 소정거리 이격된 부분에 온도계를 구비하는 것이 바람직하다. 연료전지의 성능이 떨어진 경우 온도계를 통해 비정상적으로 높은 온도를 나타내는 부분을 확인하여, 이상이 발생한 부분을 신속히 찾아내 대처할 수 있다. 다만, 일체형연료전지(100)는 작동할 때 정상적인 온도도 상당히 높으므로 온도계는 연결판(200) 내 연결재(147)와 접하는 부분에서 소정거리 이격되어 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 연료전지 스택을 더욱 안정적으로 제작하기 위해서 다수의 연결판(200)의 동일한 위치에 수직으로 형성된 관통홀(410), 관통홀(410)에 삽입된 지지축(420) 및 지지축(420)의 양단에 결합하여 다수의 연결판(200)과 다수의 일체형연료전지(100)를 고정하는 결합부재(430)를 채용한다. 관통홀(410)은 사각형으로 제작된 연결판(200)의 꼭지점 내측에 형성되는 것이 바람직하고, 지지축(420)의 양 단에 나사선을 가공하고 결합부재(430)로 볼트를 채용하여 지지축(420)의 나사선에 결합시키는 것이 바람직하다. 또한, 결합부재(430)와 지지축(420)이 연료전지 스택을 상하에서 완전히 고정하므로 연결재(147) 및 연료극(145)이 연결판(200)과 더욱 확실히 접촉하게 되어 집전효율도 높아지게 된다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 일체형지지체를 갖는 연료전지는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
도 1은 연료전지의 작동원리를 나타낸 도면;
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 일체형연료전지의 단면도;
도 3는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 일체형연료전지의 단면도;
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 일체형연료전지의 사시도;
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택의 단면도; 및
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택의 사시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
100: 일체형연료전지 110: 일체형지지체
120: 원통형지지체 130: 연결부
140: 단위전지 141: 공기극
143: 전해질막 145: 연료극
147: 연결재 200: 연결판
210: 상부연결판 220: 하부연결판
230: 중간연결판 310: 제1 연료공급로
320: 제2 연료공급로 410: 관통홀
420: 지지축 430: 결합부재

Claims (13)

  1. 다수의 원통형지지체와 상기 원통형지지체를 평행하게 연결하는 연결부로 구성된 일체형지지체, 상기 일체형지지체의 외부에 공기극, 전해질막 및 연료극 순으로 적층된 단위전지, 및 상기 공기극의 외주면 일측으로부터 상기 공기극의 외부방향으로 돌출되되 상기 연료극과는 이격된 연결재를 포함하는 다수의 일체형연료전지; 및
    일면이 상기 연료극과 선택적으로 접촉하고, 타면이 상기 연결재와 선택적으로 접촉하여 상기 다수의 일체형연료전지와 교대로 적층되는 다수의 연결판;
    을 포함하고,
    상기 일체형지지체는 다공성 금속인 것을 특징으로 하는 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택.
  2. 다수의 원통형지지체와 상기 원통형지지체를 평행하게 연결하는 연결부로 구성된 일체형지지체, 상기 일체형지지체의 외부에 공기극, 전해질막 및 연료극 순으로 적층된 단위전지, 및 상기 공기극의 외주면 일측으로부터 상기 공기극의 외부방향으로 돌출되되 상기 연료극과는 이격된 연결재를 포함하는 다수의 일체형연료전지; 및
    일면이 상기 연료극과 선택적으로 접촉하고, 타면이 상기 연결재와 선택적으로 접촉하여 상기 다수의 일체형연료전지와 교대로 적층되는 다수의 연결판;
    을 포함하고,
    상기 연결판은 다공성 금속인 것을 특징으로 하는 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 다수의 연결판은,
    최상부에 배치되어 하면이 상기 연결재와 선택적으로 접촉하는 상부연결판;
    최하부에 배치되어 상면이 상기 연료극과 선택적으로 접촉하는 하부연결판; 및
    상기 일체형연료전지 사이에 배치되어 상면이 상기 연료극에 선택적으로 접촉하고 하면이 상기 연결재에 선택적으로 접촉하는 중간연결판;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 다공성 금속은 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질인 것을 특징으로 하는 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택.
  5. 삭제
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 다공성 금속은 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질인 것을 특징으로 하는 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 공기극, 상기 전해질막 및 상기 연료극은 상기 원통형지지체의 외부에만 선택적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 연료극은 상기 연결부와 소정간격 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 연결부의 길이는 상기 원통형지지체의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 연결부는 상기 일체형지지체와 상기 연결판이 적층되는 방향으로 관통된 제1 연료공급로를 포함하고,
    상기 연결판은 상기 일체형지지체와 상기 연결판이 적층되는 방향으로 관통된 제2 연료공급로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 연료공급로와 상기 제2 연료공급로는 서로 대응하도록 관통된 것을 특징으로 하는 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택.
  12. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 연결판은 상기 연결재와 접하는 부분에서 소정거리 이격되어 구비된 온도계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택.
  13. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    다수의 상기 연결판의 동일한 위치에 수직으로 형성된 관통홀;
    상기 관통홀에 삽입된 지지축; 및
    상기 지지축의 양단에 결합하여 다수의 상기 연결판과 다수의 상기 일체형연료전지를 고정하는 결합부재;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택.
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