KR101138760B1 - 연료전지 스택 및 그 냉각 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 다수의 셀과, 다수의 관을 갖는 실린더 형태로 다수의 셀을 관통 지지하는 지지 부재와, 지지 부재에 일정 간격으로 쌍으로 구비되어 다수의 셀 각각을 분리할 수 있는 암을 포함하는 연료전지 스택을 제공함으로써, 연료전지 발전 중 셧다운이 필요한 경우 암을 통해 각 셀을 분리하여 공기를 이용한 1차 냉각을 수행하고, 각 셀을 다시 밀착시켜 냉각수의 공급 및 배출을 통해 냉각수를 이용한 2차 냉각을 수행할 수 있다.

Description

연료전지 스택 및 그 냉각 방법{FUEL CELL STACK AND ITS COOLING METHOD}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 긴급 상황에서 연료전지를 짧은 시간에 셧다운(shutdown)시킬 수 있는 연료전지 스택 및 이의 냉각 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 연료전지는 연료(예를 들면, LNG, LPG, 수소, 메탄올 등)와 산소의 반응을 통해 전기를 생산하고, 동시에 부산물로서 물과 열을 발생시키는 시스템으로서 발전 효율이 높고 환경 유해 요소가 제거된 발전 장치이다.
그리고, 이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 예를 들면, 폴리머 전해질막 연료전지(PEMFC : proton exchange membrane fuel cell), 직접 메탄올 연료전지(DMFC : direct methanol fuel cell), 인산형 연료전지(PAFC : phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC : molten carbonate fuel cell), 고체 산화물 연료전지(SOFC : solid oxide fuel cell) 등이 있다.
특히, 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물 연료전지 등의 연료 전지는 고온에서 화학 반응을 발생시켜 전기를 생산하게 되는데, 그 구성 요소인 스택(stack)은 수십 또는 수백장의 셀(cell)을 적층하여 제작하게 된다. 일 예로서, 도 1은 종래에 다수의 셀을 갖는 스택 구조를 예시한 도면으로, 연료전지 스택(100)은 다수의 셀(110)과, 다수의 셀(110)을 지지하는 다수의 지지 부재(120) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 바와 같은 연료전지는 고온에 도달하기까지 수십 시간이 소요되고, 고온에서 상온으로 도달하기까지도 수십 시간이 소요되기 때문에, 긴급한 상황에서 연료전지의 가동을 중지해야 할 경우 적절하게 대처하기 어려운 문제점이 있고, 이러한 문제점을 해결하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예들은 다수의 셀을 지지하는 지지 부재에 각각의 셀 사이에 위치하는 암(arm)을 구비시킴으로써, 각각의 셀에 구비된 홈에 지지 부재의 회전에 따라 암을 슬라이딩 방식으로 로딩 및 언로딩시킬 수 있는 연료전지 스택 및 그 냉각 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 지지 부재에 구비된 공급관 및 배출관과 암에 구비된 공급구 및 배출구를 연결하여 필요한 경우 각각의 셀에 냉각수를 공급함으로써 연료 전지의 가동을 중지시키고, 이에 따라 발생하는 수증기를 배출할 수 있는 연료전지 스택 및 그 냉각 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 다수의 셀과, 다수의 관을 갖는 실린더 형태로 상기 다수의 셀을 관통 지지하는 지지 부재와, 상기 지지 부재에 일정 간격으로 쌍으로 구비되어 상기 다수의 셀 각각을 분리할 수 있는 암을 포함하는 연료전지 스택이 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료전지 발전 중에 셧다운이 필요하면, 암 로딩용 홈에 삽입된 암을 지지 부재의 회전에 따라 언로딩시켜 각 셀의 표면으로 이동시키고, 상기 암의 높이에 따라 이격된 다수의 셀에 대해 공기를 이용한 1차 냉각을 수행하는 단계와, 상기 지지 부재의 공급관과 상기 암의 공급구를 통해 상기 각 셀에 냉각수를 공급하여 2차 냉각을 수행하는 단계를 포함하는 연료전지 스택의 냉각 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 다수의 셀과, 다수의 관을 갖는 실린더 형태로 다수의 셀을 관통 지지하는 지지 부재와, 지지 부재에 일정 간격으로 쌍으로 구비되어 다수의 셀 각각을 분리할 수 있는 암을 포함하는 연료전지 스택을 제공함으로써, 연료전지 발전 중 셧다운이 필요한 경우 암을 통해 각 셀을 분리하여 공기를 이용한 1차 냉각을 수행하고, 각 셀을 다시 밀착시켜 냉각수의 공급 및 배출을 통해 냉각수를 이용한 2차 냉각을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 다수의 셀 각각에 구비된 암 로딩용 홈에 슬라이딩 방식으로 암이 로딩 또는 언로딩될 수 있고, 지지 부재에 구비된 공급관과 배출관, 암에 구비된 공급구와 배출구를 통해 냉각수를 각 셀 내부 사이에 쉽게 공급하고, 그로부터 발생되는 수증기를 외부로 쉽게 배출함으로써, 연료전지 스택을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
도 1은 종래에 다수의 셀을 갖는 스택 구조를 예시한 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 각각의 셀 사이에 위치하는 암을 구비하는 지지 부재를 통해 지지되는 연료전지 스택을 예시한 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 암을 구비한 지지 부재를 예시한 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 셀에 구비된 암 로딩용 홈에 로딩 및 언로딩되는 암을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 암이 로딩 및 언로딩되는 암 로딩용 홈을 설명하기 위한 도면,
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 실시예에 따라 셀에 구비된 암 로딩용 홈에 암이 로딩 및 언로딩되는 것을 도식적으로 예시한 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 다수의 셀 각각에 구비된 내부 유로를 통해 2차 냉각을 수행하는 것을 설명하기 위한 도면.
본 발명의 실시예에서는, 다수의 셀 각각을 지지하는 지지 부재에 각각의 셀을 분리 및 지지하는 암을 마련하고, 이러한 암이 각각의 셀에 구비된 암 로딩용 홀에 지지 부재의 회전에 따라 슬라이딩 방식으로 로딩 및 언로딩됨으로써, 다수의 셀을 각각 밀착 또는 분리할 수 있으며, 연료전지의 셧다운 시 다수의 셀을 각각 분리시켜 공기를 이용한 1차 냉각을 수행하고, 지지 부재, 암 및 셀 내부에 구비된 냉각 라인을 이용하여 냉각수를 이용한 2차 냉각을 수행함으로써, 연료전지 스택을 효과적으로 냉각시킨다는 것이며, 이러한 기술적 수단을 통해 종래 기술에서의 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명의 실시예에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 각각의 셀 사이에 위치하는 암을 구비하는 지지 부재를 통해 지지되는 연료전지 스택을 예시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 암을 구비한 지지 부재를 예시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 연료전지 스택(200)은 다수의 셀(210)과, 다수의 셀(210)을 지지하는 지지 부재(220)와, 지지 부재(220)에 연결되며, 다수의 셀(210) 각각의 사이에 위치하는 암(arm, 230)을 포함할 수 있다.
여기에서, 지지 부재(220)는 다수의 관을 갖는 실린더 형태로서, 다수의 셀(210)을 지지할 수 있고, 다수의 셀(210)의 코너에 구비된 삽입 홀을 통해 다수의 셀(210)을 관통하여 지지하며, 이러한 지지 부재(220)의 양측에 2개 쌍으로 암(230)이 다수의 셀(210) 각각의 사이에 위치하도록 마련되어 있고, 지지 부재(220)는 예를 들면, 2개의 공급관과 2개의 배출관이 구비될 수 있다.
그리고, 암(230)은 지지 부재(220)에 일정 간격으로 구비되어, 지지 부재(220)와 함께 다수의 셀(210)을 지지하며, 예를 들면, 하나의 공급구(231)와 하나의 배출구(232)가 구비됨으로써, 공급관(221)과 공급구(231)가 연결되어 냉각수를 다수의 셀(210)의 내부에 공급하고, 다수의 셀(210)의 냉각으로 인해 발생하는 수증기는 연결된 배출구(232)와 배출관(222)을 통해 배출될 수 있다.
이런 암(230)은 도 5에 보이는 바와 같은 암 로딩용 홈(212)의 크기에 대응하여 삽입되어 기밀하게 슬라이딩될 수 있는 부채꼴 돌기 형상으로 형성될 수 있다.
이 때, 연료전지 스택(200)을 이용한 발전 시, 지지 부재(220)는 도시 생략된 구동 수단(예를 들면, 회전 모터 등)을 통해 제 1 회전 방향으로 회전되며, 이에 따라 암(230)은 다수의 셀(210) 각각에 구비되어 있는 암 로딩용 홈에 슬라이딩 방식으로 삽입(로딩)되고, 암(230)이 암 로딩용 홈에 삽입되면, 다수의 셀(210)은 각각 밀착되며, 연료전지 스택(200)에 제공되는 공기, 연료 등을 이용하여 발전할 수 있다.
이러한 발전 중에 셧다운이 필요하게 되면, 지지 부재(220)는 공기를 이용한 1차 냉각을 위해 도시 생략된 구동 수단을 통해 제 1 회전의 회전 방향과 반대 방향(즉, 제 2 회전 방향)으로 회전되며, 이에 따라 암(230)은 암 로딩용 홈의 상부면으로 돌출(언로딩)됨으로써, 다수의 셀(210) 각각은 일정 간격으로 이격되어 공기를 이용한 1차 냉각을 수행할 수 있다.
이 후, 지지 부재(220)는 냉각수를 이용한 2차 냉각을 위해 제 1 회전의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전되며, 암(230)이 암 로딩용 홈에 슬라이딩 방식으로 재삽입되면, 다수의 셀(210)이 각각 밀착될 수 있다.
그리고, 냉각수가 지지 부재(220)에 구비된 공급관과 암(230)에 구비된 공급구를 통해 다수의 셀(210)의 내부 유로로 공급된 후 내부 유로에서 발생하는 수증기(및 잔류 냉각수)가 지지부재(220)의 배출관과 암(230)에 구비된 배출구를 통해 배출됨으로써, 냉각수를 이용한 2차 냉각을 수행할 수 있다. 이 때, 지지 부재(220)에 구비된 공급관과 배출관, 암(230)에 구비된 공급구와 배출구 및 셀 내부에 구비된 내부 유로는 각각 관통 연결될 수 있으며, 냉각수는 도시 생략된 공급 수단 및 배출 수단(예를 들면, 펌프 등)을 통해 공급 및 배출될 수 있다.
따라서, 다수의 셀 각각을 지지하는 지지 부재에 각각의 셀을 분리 및 지지하는 암을 마련하고, 이러한 암이 각각의 셀에 구비된 암 로딩용 홈에 지지 부재의 회전에 따라 슬라이딩 방식으로 로딩 및 언로딩됨으로써, 다수의 셀을 각각 밀착 또는 분리할 수 있으며, 연료전지의 셧다운 시 다수의 셀을 각각 분리시켜 공기를 이용한 1차 냉각을 수행하고, 다수의 셀을 다시 밀착시킨 후 지지 부재, 암 및 셀 내부에 구비된 냉각 라인을 이용하여 냉각수를 이용한 2차 냉각을 수행함으로써, 연료전지 스택을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 연료전지 스택에서 공급관과 배출관을 갖는 지지 부재와 공급구와 배출구를 갖는 암에 대해 설명하고, 지지 부재, 암 및 셀 내부에 구비된 냉각 라인을 통해 냉각수의 공급과 수증기의 배출에 대해 설명한다.
도 3을 참조하면, 지지 부재(220)는 다수의 관을 갖는 실린더 형태로서, 다수의 셀(210)을 지지할 수 있고, 다수의 셀(210)의 코너에 구비된 삽입 홀을 통해 다수의 셀(210)을 관통하여 지지하는데, 예를 들면, 2개의 공급관(221)과 2개의 배출관(222)이 구비될 수 있다.
또한, 암(230)은 지지 부재(220)의 양측에 2개가 다수의 셀(210) 각각의 사이에 위치하도록 일정 간격으로 구비되고, 지지 부재(220)와 함께 다수의 셀(210)을 지지하며, 예를 들면, 하나의 공급구(231)와 하나의 배출구(232)가 구비될 수 있다.
이러한 공급관(221)과 배출관(222)은 지지 부재(220)를 관통하여 마련되며, 공급관(221)은 암(230)의 공급구(231)와 연결되고, 배출관(222)은 암(230)의 배출구(232)과 연결됨으로써, 지지 부재(220)의 공급관(221)을 통해 공급되는 냉각수는 암(230)의 공급구(231)를 통해 다수의 셀(210)의 내부 유로에 공급될 수 있고, 다수의 셀(210)의 내부 유로에서 발생하는 수증기(및 잔류 냉각수)는 암(230)의 배출구(232)와 지지 부재(220)의 배출관(222)을 통해 배출될 수 있다. 이 때, 지지 부재(220)에 구비된 공급관(221)과 배출관(222), 암(230)에 구비된 공급구(231)와 배출구(232) 및 내부 유로는 각각 관통 연결될 수 있다.
여기에서, 공급구(231)와 배출구(232)의 경우 각각 하나가 구비되는 것으로 하여 설명하였으나, 필요에 따라 각각 적어도 하나 이상이 구비될 수 있음은 물론이며, 배출구(232)가 공급구(231)보다 더 많은 개수를 구비할 경우 다수의 셀(210)의 내부 유로를 통해 냉각수가 공급되어 2차 냉각이 된 후에 내부 유로에서 발생하는 수증기 및 잔류 냉각수를 쉽게 배출할 수 있다. 이 때, 냉각수는 도시 생략된 공급 수단 및 배출 수단(예를 들면, 펌프 등)을 통해 공급 및 배출될 수 있다.
따라서, 지지 부재에 마련된 공급관 및 배출관과 암에 마련된 공급구와 배출구를 각각 연결하여 다수의 셀의 내부 유로에 냉각수를 공급하고, 이로부터 발생되는 수증기를 외부로 배출함으로써, 연료전지 스택에 냉각수의 공급 및 수증기의 배출을 쉽게 수행할 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 지지 부재 및 암을 갖는 연료전지 스택에서 다수의 셀을 관통하는 지지 부재와 암 로딩용 홈에 로딩 또는 언로딩되는 암에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 셀에 구비된 홈에 로딩 및 언로딩되는 암을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 연료전지 스택(200)에 구비된 다수의 셀(210)의 4개 코너에는 지지 부재(220)를 다수의 셀(210)을 관통하여 삽입시키기 위한 삽입 홀(211)이 구비되고, 이러한 삽입 홀(211)보다 암(230)의 길이만큼 더 큰 지름을 갖는 암 로딩용 홈(212)이 삽입 홀(211)을 그 중심으로 하여 구비될 수 있다.
이러한 암 로딩용 홈(212)은 지지 부재(220)의 회전에 따라 암(230)이 회전하면서 슬라이딩 방식으로 삽입(로딩)될 수 있도록 각각의 셀 표면과 동일한 높이의 상부면, 암(230)이 삽입될 수 있도록 암(230)의 높이에 대응하는 깊이를 갖는 하부면, 상부면과 하부면을 연결하는 경사면 등을 가질 수 있으며, 연료전지 스택(200)을 이용한 발전 시에 지지 부재(220)는 도시 생략된 구동 수단(예를 들면, 회전 모터 등)을 통해 제 1 회전 방향으로 회전되고, 이에 따라 암(230)은 암 로딩용 홈(212)에 구비된 상부면, 경사면 및 하부면의 순서로 이동하여 암 로딩용 홈(212)으로 삽입되며, 이러한 암(230)의 삽입에 따라 다수의 셀(210)은 각각 밀착되어 공급되는 공기 및 연료를 이용하여 발전시킬 수 있다.
또한, 연료전지의 셧다운 시에는 지지 부재(220)는 제 1 회전 방향의 반대 방향으로 회전되고, 이에 따라 암(230)은 암 로딩용 홈(212)에 구비된 하부면, 경사면 및 상부면의 순서로 이동되어 암 로딩용 홈(212)의 상부면으로 돌출되며, 다수의 셀(210)은 각각 분리 이격되어 공기를 이용한 1차 냉각을 수행할 수 있다.
이 후, 다시 지지 부재(220)는 제 1 회전 방향과 동일한 방향으로 회전되고, 이에 따라 암(230)은 상부면, 경사면 및 하부면의 순서로 이동하여 암 로딩용 홈(212)에 재삽입(재로딩)되며, 다수의 셀(210)은 다시 밀착될 수 있다.
그리고, 냉각수가 지지 부재(220)의 공급관(221) 및 암(230)의 공급구(231)를 통해 다수의 셀(210) 각각에 구비된 내부 유로에 공급됨으로써, 냉각수를 이용한 2차 냉각을 수행할 수 있다. 이와 함께 각 내부 유로에서 발생하는 수증기(및 잔류 냉각수)는 암(230)의 배출구(232) 및 지지 부재(220)의 배출관(222)를 통해 배출될 수 있다. 이 때, 냉각수는 도시 생략된 공급 수단 및 배출 수단(예를 들면, 펌프 등)을 통해 공급 및 배출될 수 있다.
따라서, 다수의 셀 각각에 마련된 삽입 홀을 관통하여 지지하도록 지지 부재가 구비되고, 그 삽입 홀보다 암의 길이만큼 큰 암 로딩용 홈을 마련하고, 암 로딩용 홈이 상부면, 하부면 및 경사면을 가짐으로써, 지지 부재의 회전에 따라 암이 암 로딩용 홈에 슬라이딩 방식으로 로딩 및 언로딩될 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 암 로딩용 홈에 슬라이딩 방식으로 로딩 및 언로딩되는 암에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 암이 로딩 및 언로딩되는 암 로딩용 홈을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 다수의 셀(210) 각각의 코너에 구비된 삽입 홀(211)에는 공급관(221)과 배출관(222)이 구비된 지지 부재(220)가 관통할 수 있고, 삽입 홀(211)보다 지지 부재(220)의 양측에 구비된 암(230)의 길이만큼 상대적으로 큰 지름을 갖는 암 로딩용 홈(212)이 다수의 셀(210)에 각각 구비될 수 있다.
이 때, 암 로딩용 홈(212)은 지지 부재(220)의 회전에 따라 암(230)이 슬라이딩 방식으로 로딩될 수 있도록 각각의 셀 표면과 동일한 높이의 상부면, 암(230)이 삽입될 수 있도록 암(230)의 높이에 대응하는 깊이를 갖는 하부면, 상부면과 하부면을 연결하는 경사면 등을 가질 수 있는데, 상부면 영역은 ①, 경사면 영역은 ②, 하부면 영역은 ③ 및 ④ 등과 같이 구비될 수 있다. 여기에서, 하부면 영역인 ③은 경사면 영역인 ②에서 암(230)이 이동하여 하부면 영역에 안착될 수 있도록 마련되며, 하부면 영역인 ④는 하부면 영역에 안착된 암(230)에 구비된 공급구(231)와 배출구(232)가 다수의 셀(210) 각각에 마련된 내부 유로(즉, 공급 유로(213a), 배출 유로(213b))에 관통 연결되도록 마련될 수 있다.
이에 따라, 연료전지의 발전 시 지지 부재(220)는 도시 생략된 구동 수단을 통해 제 1 회전 방향으로 회전되고, 이에 따라 암(230)이 상부면 영역(①)에서 경사면 영역(②)을 거쳐, 하부면 영역(③, ④)에 슬라이딩 방식으로 이동함으로써, 다수의 셀(210)의 각각에 구비된 암 로딩용 홈(212)에 암(230)이 삽입(로딩)되어 다수의 셀(210)이 각각 밀착될 수 있다.
또한, 연료전지의 셧다운 시 공기를 이용한 1차 냉각을 위해 지지 부재(220)는 제 1 회전 방향의 반대 방향으로 회전되고, 이에 따라 암(230)은 하부면 영역(④, ③)에서 경사면 영역(②)을 거쳐 상부면 영역(①)에 슬라이딩 방식으로 이동함으로써, 다수의 셀(210)의 각각에서 암이 언로딩되어 다수의 셀(210)이 각각 일정 간격으로 분리될 수 있다.
그리고, 냉각수를 이용한 2차 냉각을 위해 지지 부재(220)는 제 1 회전 방향과 동일한 방향으로 회전되고, 이에 따라 암(230)이 상부면 영역(①)에서 경사면 영역(②)을 거쳐, 하부면 영역(③, ④)에 슬라이딩 방식으로 이동함으로써, 암(230)은 다수의 셀(210)의 각각에 구비된 암 로딩용 홈(212)에 재삽입(재로딩)되며, 이러한 암(230)의 재삽입에 따라 다수의 셀(210)이 각각 밀착될 수 있으며, 암(230)에 구비된 공급구(231)와 배출구(232)가 다수의 셀(210) 각각에 마련된 각 내부 유로(즉, 공급 유로(213a), 배출 유로(213b))와 관통 연결될 수 있다.
이 후, 냉각수가 관통 연결된 내부 유로에 지지 부재(220)의 공급관(221)과 암(230)의 공급구(231)를 통해 공급 유로(213a)로 공급되고, 이에 따라 다수의 셀(210)에 대해 냉각수를 이용한 2차 냉각이 진행되며, 2차 냉각에 따라 다수의 셀(210)에서 발생하는 수증기와 잔류하는 냉각수는 배출 유로(213b)에서 암(230)의 배출구(232)와 지지 부재(220)의 배출관(222)을 통해 배출될 수 있다. 이 때, 냉각수는 도시 생략된 공급 수단 및 배출 수단(예를 들면, 펌프 등)을 통해 공급 및 배출될 수 있다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 실시예에 따라 셀에 구비된 암 로딩용 홈에 암이 로딩 및 언로딩되는 것을 도식적으로 예시한 도면이다.
도 6a를 참조하면, 연료전지의 발전 전에는 암(230)이 상부면 영역(①)에 위치하게 되는데, 암(230)의 높이에 따라 다수의 셀(210) 각각은 그 높이만큼 이격되어 위치하게 되고, 연료전지의 발전 시에는 지지 부재(220)가 제 1 회전 방향으로 회전함에 따라 암(230)이 암 로딩용 홈(212)의 상부면 영역(①)에서 화살표 방향의 경사면 영역(②)으로 이동하게 된다. 여기에서, 암(230)의 높이는 하부면 영역(③, ④)의 깊이(a)와 동일한 수치를 가질 수 있다. 하지만, 암(230)의 높이는 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 지지 부재(220)가 도시 생략된 구동 수단(예를 들면, 회전 모터 등)을 통해 제 1 회전 방향으로 회전함에 따라 도 6b에 도시한 바와 같이 암(230)은 경사면 영역(②)으로 이동하여 화살표 방향의 하부면 영역(③, ④)으로 이동하며, 도 6c에 도시한 바와 같이 하부면 영역(③, ④) 중 ③ 영역을 지나 암(230)이 최종적으로 ④ 영역으로 이동되면, 암 로딩 홈(212) 내부에 완전히 삽입될 수 있으며, 이에 따라 다수의 셀(210) 각각은 연료전지를 이용한 발전을 위해 도 6d에 도시한 바와 같이 밀착될 수 있다.
한편, 연료전지의 셧다운 시에는 공기를 이용한 1차 냉각을 위해 상술한 바와 같은 과정의 역순으로 지지 부재(220)가 제 1 회전 방향과 반대 방향으로 회전함에 따라 암(230)이 하부면 영역(④, ③)에서 경사면 영역(②)을 거쳐 상부면 영역(①)에 슬라이딩 방식으로 이동하고, 이에 따라 암(230)은 암 로딩용 홈(212)의 상부면으로 돌출(언로딩)됨으로써, 다수의 셀(210)이 각각 일정 간격으로 도 6e에 도시한 바와 같이 분리될 수 있으며, 이러한 간격으로 이격된 다수의 셀(210)은 그 이격 공간 내의 공기에 의한 1차 냉각이 수행될 수 있다.
이 후에, 냉각수를 이용한 2차 냉각을 위해 지지 부재(220)는 제 1 회전 방향과 동일한 방향으로 회전되고, 도 6b에 도시한 바와 같이 암(230)은 암 로딩용 홈(212)에 구비된 경사면 영역(②)으로 이동하여 화살표 방향의 하부면 영역(③, ④)으로 이동하며, 하부면 영역(③, ④) 중 ③ 영역을 지나 암(230)이 최종적으로 ④ 영역으로 이동되면, 암 로딩 홈(212) 내부에 완전히 재삽입될 수 있다.
이에 따라 다수의 셀(210)은 각각 재밀착되고, 냉각수를 이용한 2차 냉각을 위해 냉각수가 지지 부재(220)에 마련된 공급관(221) 및 암에 마련된 공급구(231)와 관통 연결된 다수의 셀(210) 각각에 마련된 내부 유로로 공급되고, 이러한 냉각수를 이용하여 고온으로 상승한 다수의 셀(210)에 대한 2차 냉각을 수행할 수 있으며, 이 때 냉각수가 고온의 셀들과 만나 내부 유로에서 발생되는 수증기 및 잔류 냉각수는 암(230)의 배출구(232)와 지지 부재(220)의 배출관(222)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 이 때, 냉각수는 도시 생략된 공급 수단 및 배출 수단(예를 들면, 펌프 등)을 통해 공급 및 배출될 수 있다.
예를 들면, 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 다수의 셀 각각에 구비된 내부 유로를 통해 2차 냉각을 수행하는 것을 설명하기 위한 도면으로, 다수의 셀(210) 각각에 마련된 내부 유로는 암(230)의 공급구(231)와 배출구(232)와 관통 연결될 수 있도록 2개의 유로(즉, 공급 유로(213a), 배출 유로(213b))가 함께 구비될 수 있고, 이러한 내부 유로를 통해 각각의 셀 내부에 냉각수가 공급 및 배출됨으로써, 다수의 셀(210)에 대한 2차 냉각을 효과적으로 수행할 수 있다. 이 때, 냉각수는 도시 생략된 공급 수단 및 배출 수단(예를 들면, 펌프 등)을 통해 공급 및 배출될 수 있다.
여기에서, 다수의 셀(210)을 관통 지지하는 지지 부재(220)는 각 셀에 마련된 내부 유로(즉, 공급 유로(213a), 배출 유로(213b))와의 관통 연결을 위해 각 코너 중 대각선 위치에 있는 지지부재(220)는 A 방향(즉, 시계 방향)과 같이 서로 같은 방향으로 회전시킬 수 있고, 인접하는 위치의 지지 부재(220)는 A 방향과 반대 방향(즉, B 방향, 시계 반대 방향)으로 회전시킬 수 있다. 이 때, 지지 부재(220)의 회전을 위해 적어도 2개의 구동 수단(예를 들면, 회전 모터 등)이 지지 부재(220)에 각각 연결 설치될 수 있다.
여기서, 내부 유로에서 일측 공급 유로(213a)가 타측 공급 유로와 만나는 분기점, 또는 일측 배출 유로(213b)가 타측 배출 유로와 만나는 분기점 등에서는 같은 종류끼리 상호 연결되도록 구성될 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.
200 : 연료전지 스택 210 : 다수의 셀
211 : 삽입 홀 212 : 암 로딩용 홈
220 : 지지 부재 221 : 공급관
222 : 배출관 230 : 암
231 : 공급구 232 : 배출구

Claims (11)

  1. 다수의 셀과,
    다수의 관을 갖는 실린더 형태로 상기 다수의 셀을 관통 지지하는 지지 부재와,
    상기 지지 부재에 일정 간격으로 쌍으로 구비되어 상기 다수의 셀 각각을 분리할 수 있는 암을 포함하는
    연료전지 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 셀은,
    각 셀이 상기 지지 부재가 관통 삽입할 수 있는 삽입 홀과,
    상기 삽입 홀보다 상기 암의 길이에 대응하여 상대적으로 더 큰 크기를 가지며, 상기 암이 상기 각 셀의 내부에 슬라이딩 방식으로 삽입될 수 있는 암 로딩용 홈을 포함하는
    연료전지 스택.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 암 로딩용 홈은,
    상기 각 셀의 표면과 동일한 높이를 갖는 상부면과,
    상기 암의 높이에 대응하는 깊이를 갖는 하부면과,
    상기 상부면 및 하부면이 연결되는 경사면을 포함하는
    연료전지 스택.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 지지 부재는,
    상기 각 셀에 냉각수를 공급하는 공급관과,
    상기 각 셀의 냉각에 따라 발생하는 수증기를 배출하는 배출관을 포함하는
    연료전지 스택.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 암은,
    상기 공급관과 연결되어 상기 각 셀에 냉각수를 공급하는 공급구와,
    상기 배출관과 연결되어 상기 각 셀에서 발생하는 상기 수증기를 상기 배출관으로 배출하는 배출구를 포함하는
    연료전지 스택.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 암은, 연료전지의 발전 시 상기 지지 부재의 회전에 따라 상기 상부면, 경사면 및 하부면의 순서로 상기 슬라이딩 방식으로 이동되어 상기 각 셀을 밀착시키는
    연료전지 스택.
  7. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 암은, 연료전지의 셧다운 시 공기를 이용한 1차 냉각을 위해 상기 지지 부재의 회전에 따라 상기 하부면, 경사면 및 상부면의 순서로 이동되어 상기 각 셀을 일정 간격으로 이격시킨 후에, 냉각수를 이용한 2차 냉각을 위해 상기 지지 부재의 회전에 따라 상기 상부면, 경사면 및 하부면의 순서로 이동되어 상기 각 셀을 밀착시키는
    연료전지 스택.
  8. 연료전지 발전 중에 셧다운이 필요하면, 암 로딩용 홈에 삽입된 암을 지지 부재의 회전에 따라 언로딩시켜 각 셀의 표면으로 이동시키고, 상기 암의 높이에 따라 이격된 다수의 셀에 대해 공기를 이용한 1차 냉각을 수행하는 단계와,
    상기 1차 냉각을 수행한 후에, 상기 지지 부재의 회전에 따라 상기 암 로딩용 홈에 상기 암을 삽입시키는 단계와,
    상기 암의 삽입에 따라 상기 각 셀에 마련된 내부 유로와 관통 연결된 상기 지지 부재의 공급관과 상기 암의 공급구를 통해 상기 내부 유로에 냉각수를 공급하여 2차 냉각을 수행하는 단계를 포함하는
    연료전지 스택의 냉각 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 냉각 방법은,
    상기 2차 냉각을 수행하는 단계 중에 상기 2차 냉각으로 발생되는 수증기를 상기 암의 배출구와 상기 지지 부재의 배출관을 통해 외부로 배출하는 단계를 더 포함하는
    연료전지 스택의 냉각 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 1차 냉각을 수행하는 단계는, 상기 지지 부재의 회전에 따라 상기 암 로딩용 홈의 하부면, 경사면 및 상부면의 순서로 슬라이딩 방식에 따라 상기 암이 이동되어 상기 각 셀을 일정 간격으로 이격시키는
    연료전지 스택의 냉각 방법.
  11. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 암을 삽입시키는 단계는, 상기 지지 부재의 회전에 따라 상기 암 로딩용 홈의 상부면, 경사면 및 하부면의 순서로 슬라이딩 방식에 따라 상기 암이 이동되어 상기 각 셀을 밀착시키는
    연료전지 스택의 냉각 방법.
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