KR101270456B1 - 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지의 센터 플레이트 시스템 - Google Patents

외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지의 센터 플레이트 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부 매니폴드를 갖는 용융탄산염 연료전지의 센터 플레이트 시스템의 구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지의 센터 플레이트 시스템은 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지의 센터 플레이트(100) 구조에 있어서, 상기 센터 플레이트(100)는 사각형상으로서, 마주보는 변에 애노드 웨트실(110) 및 캐소드 웨트실(120)이 한 쌍씩 마련되고, 상기 애노드 웨트실(110)와 캐소드 웨트실(120)은 센터 플레이트(100)의 모서리를 중심으로 이웃하여 상하로 위치하도록 각 변의 단면은 'ㄷ' 형상으로 형성되며, 상기 애노드 웨트실(110) 및 캐소드 웨트실(120)이 인접하는 모서리 부분이 동일 평면상에 위치하도록 상기 센터 플레이트 모서리 부(200)의 단면이 'ㄹ' 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지의 센터 플레이트 시스템 {CENTER PLATE SYSTEM FOR MOLTEN CARBONATE FUEL CELL HAVING EXTERNAL MANIFOLD}
본 발명은 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부 매니폴드를 갖는 용융탄산염 연료전지의 센터 플레이트 시스템의 구조에 관한 것이다.
일반적으로, 용융탄산염 연료전지는 애노드(anode)의 수소 산화 반응과 캐소드(cathode)의 산소 환원반응의 전기 화학적 반응을 기반으로 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전장치로서, 고온에서 작동하기 때문에 발전 효율이 높고 환경오염이 적어 친환경적인 발전 시스템이다.
이와 같은 용융탄산염 연료전지는 크게 전기 화학적 반응이 일어나 전기를 생산해 내는 스택(stack), 연료 공급 장치와 같은 기계적 주변장치 그리고 DC/AC 컨버터와 같은 전기적 주변장치로 구성되어 있다.
이 중에서 스택은 한 쌍의 애노드판과 캐소드판 사이에 용융탄산염 전해질을 함유하는 다공성 매트릭스판으로 이루어지는 단위전지를 수십 내지 수백 개를 적층한 것으로, 전체적으로 전기 화학적 반응을 일으키게 되므로 용융탄산염 연료전지에 있어서 스택이 가장 중요한 역할을 수행한다.
한편, 용융탄산염 연료전지는 스택에 전기 화학적 반응을 일으키는 가스를 분배해 주는 방법에 따라 외부 매니폴드를 갖는 용융탄산염 연료전지와 내부 매니폴드를 갖는 용융탄산염 연료전지로 나눌 수 있다.
두 가지의 가장 큰 차이점은 가스 공급 방식에 있다. 외부 매니폴드를 갖는 용융탄산염 연료전지의 경우 애노드가스, 캐소드가스를 외부에서 단위전지가 적층된 스택으로 직접 공급하므로 공급 가스를 상압시켜 줄 필요가 없으나, 외부 매니폴드와 스택의 결합시 밀폐가 유지되어야 한다.
이와 달리 내부 매니폴드를 갖는 용융탄산염 연료전지의 경우 스택 내부에 애노드 가스, 캐소드 가스가 공급되는 경로를 포함하기 때문에 스택 제작시부터 밀폐성에 대한 문제가 없으나, 내부 매니폴드를 갖는 용융탄산염 연료전지의 경우 스택 내부를 따라 애노드 가스, 캐소드 가스를 공급해 줘야 하기 때문에 설계가 까다롭고 가스를 상압하여야 하는 문제가 있다.
일반적으로 외부 매니폴드를 갖는 용융탄산염 연료전지의 경우, 단위전지는 박판 성형으로 만들어진 하나의 센터 플레이트와 두 개의 쉴디드 슬롯 플레이트 및 애노드, 캐소드로 구성된다.
도 1을 참고하면, 외부 매니폴드를 갖는 용융탄산염 연료전지의 경우 애노드 가스, 캐소드 가스가 수직 방향으로 교차되어 스택 내로 들어가 연료전지 반응을 일으키게 되며, 이와 같이 가스가 흐르게 하기 위해서는 스택의 각 방향에서 외부 매니폴드와의 결합이 필요하다.
상기 스택(10)은 일반적으로 육면체 형상을 가지고 4개 면에 외부 캐소드매니폴드(11) 및 외부 애노드 매니폴드(12)가 대칭되도록 결합하는 구조를 가지며 특히, 스택(10) 내부의 센터 플레이트와 외부 매니폴드의 결합 구조가 매우 중요하다.
도 2를 참고하면, 외부 매니폴드(11)(12)를 갖는 센터 플레이트의 경우 이와 같은 특성에 따라 각 변에 애노드 웨트실 부(21) 및 캐소드 웨트실 부(22)가 마련되고, 두 번 굽힘 성형되기 때문에 단면이 ‘ㄷ’과 같은 형상을 하고 있다.
따라서, 모서리 부에서 아래쪽과 위쪽으로 나뉘어 캐소드 웨트실(cathode wet seal)과 애노드 웨트 실(anode wet seal)로 나뉘게 되는데, 이는 단위 전지에 포함되는 쉴디드 슬롯 플레이트가 위치할 수 있는 공간을 만들고 MEA(Membrane electrode Assembly)가 웨트 실(wet seal) 위로 위치하게 할 수 있다.
이와 같이 단위전지가 제작되는 경우 단위전지들을 하나씩 같은 방향으로 적층하면 모서리에서는 캐소드 웨트 실과 애노드 웨트 실이 접촉하게 되며, 이 스택에 가스의 입력 출력을 할 수 있게 하는 입구인 매니폴드를 부착하여 전지를 운전하게 된다.
외부 매니폴드를 갖는 연료전지의 경우 앞서 언급한 바와 같이 센터 플레이트만으로는 매니폴드를 부착할 수 있는 영역이 확보되지 않아 가스 밀폐가 어렵고, 이를 방지하기 위해 막음판(30)과 같은 부재를 사용하여 이를 조립 후 용접해 주어야 한다.
도 2에 도시된 바와 같이. 종래의 센터 플레이트 구조에서는 총 8번의 막음판 조립 및 용접 공정이 필요하게 되며, 조립 및 용접된 막음판은 센터 플레이트가 적층되었을 때 평면을 이루어 만들어진 평면에 가스를 공급해 주는 매니폴드가 부착되게 된다.
즉, 총 4 모서리에서 막음판(30)은 2 부분씩 조립 및 용접을 해야 하기 때문에 8회의 조립 및 용접 공정이 필요하며, 조립에 있어서도 박판을 센터 플레이트와 직각으로 접착 후 용접해 주어야 하기 때문에 공정이 복잡하고 어려운 문제가 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 센터 플레이트의 구조 변경을 통해서 막음판을 단순화하고 생산성 및 용접성을 향상하여 제작 단가를 낮추고, 밀폐성을 높임으로써 성능을 향상할 수 있는 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지의 센터 플레이트 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지의 센터 플레이트 시스템은 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지의 센터 플레이트(100) 구조에 있어서, 상기 센터 플레이트(100)는 사각형상으로서, 마주보는 변에 애노드 웨트실(110) 및 캐소드 웨트실(120)이 한 쌍씩 마련되고, 상기 애노드 웨트실(110)와 캐소드 웨트실(120)은 센터 플레이트(100)의 모서리를 중심으로 이웃하여 상하로 위치하도록 각 변의 단면은 'ㄷ' 형상으로 형성되며, 상기 애노드 웨트실(110) 및 캐소드 웨트실(120)이 인접하는 모서리 부분이 동일 평면상에 위치하도록 상기 센터 플레이트 모서리 부(200)의 단면이 'ㄹ' 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센터 플레이트(100)는 상기 센터 플레이트 모서리 부(200)의 단면이 'ㄹ' 형상을 갖도록 절곡된 평판을 굽힘 가공하여 형성될 수 있으며, 상기 센터 플레이트 모서리 부(200)의 단면에 대응하여 결합되는 모서리 부 막음판(300)을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
나아가, 상기 센터 플레이트(100)의 네 변은 애노드 매니폴드 한 쌍 및 캐소드 매니폴드 한 쌍으로 구성된 외부 매니폴드 부(400)와 밀착되며 상기 애노드 매니폴드 및 캐소드 매니폴드의 끝단은 상호 상기 센터 플레이트(100)의 모서리 부위에서 인접하게 되어 상기 외부 매니폴드 부(400)가 전체적으로 'ㅁ' 형상을 가질 수 있으며, 상기 애노드 매니폴드와 캐소드 매니폴드의 끝단 사이에는 매니폴드 절연 가스켓(450)이 마련되어 애노드 매니폴드 및 캐소드 매니폴드 상호 간은 외부 매니폴드 절연 가스켓(450)에 의해 절연이 유지되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지의 센터 플레이트 시스템은 센터 플레이트의 모서리 구조가 직각 형태가 아니라 모서리에서 애노드 부와 캐소드 부가 인접된 전체가 8각형 형상이 되어 각 모서리 부는 하나의 막음판으로 한번에 용접 가능하므로 용접성 및 생산성이 대폭 향상된다.
또한, 상기 센터 플레이트에 매니폴드가 결합할 때 절연 가스켓을 사용하고 전체적으로 'ㅁ'형상으로 체결이 가능하므로 밀폐성 및 절연성이 향상되어 용융탄산염 연료전지의 성능을 높일 수 있다.
도 1은 종래의 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지를 예시하는 도면이다.
도 2는 종래의 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지에 있어서 센터 플레이트를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센터 플레이트의 형상을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센터 플레이트의 형상을 구현하기 위한 평판의 전개도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 센터 플레이트 및 상기 센터 플레이트의 모서리 부와 결합하는 막음판의 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센터 플레이트와 외부 매니폴드 부의 결합을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지의 센터 플레이트 시스템에 대해서 설명한다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지의 센터 플레이트 시스템은 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지의 센터 플레이트(100) 구조에 있어서, 상기 센터 플레이트(100)는 사각형상으로서, 마주보는 변에 애노드 웨트실(110) 및 캐소드 웨트실(120)이 한 쌍씩 마련되고, 상기 애노드 웨트실(110)와 캐소드 웨트실(120)은 센터 플레이트(100)의 모서리를 중심으로 이웃하여 상하로 위치하도록 각 변의 단면은 'ㄷ' 형상으로 형성된다.
상기 센터 플레이트(100)는 최종 형상은 사각형태를 가지며, 각 변에는 애노드 웨트실(110) 및 캐소드 웨트실(120)이 한 쌍씩 마련되며 이는 서로 마주보는 변에 애노드 웨트실(110)과 캐소드 웨트실(120)이 배치된다.
따라서, 상기 애노드 웨트실(110)와 캐소드 웨트실(120)은 상기 센터 플레이트(100)의 모서리를 중심으로 이웃하게 되며, 애노드 웨트실(110)와 캐소드 웨트실(120)은 센터 플레이트(100)를 기준으로 상하로 위치하는 구조를 갖는다.
예를 들어, 애노드 웨트실(110)이 센터 플레이트(100)의 윗면에 마련되면 캐소드 웨트실(120)은 센터 플레이트(100)의 아랫면에 마련되는 구조가 된다.
또한, 애노드 웨트실(110) 또는 캐소드 웨트실(120)이 마련되는 각 변의 단면은 'ㄷ' 형상으로 형성되어 굽혀져서 센터 플레이트(100)에 대하여 돌출된 부분이 매트릭스와 접촉되는 웨트실 부위가 된다.
나아가, 상기 애노드 웨트실(110) 및 캐소드 웨트실(120)이 인접하는 센터 플레이트의 모서리 부분이 동일 평면상에 위치하도록 상기 센터 플레이트 모서리 부(200)의 단면이 'ㄹ' 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 애노드 웨트실(110) 및 캐소드 웨트실(120)은 센터 플레이트 모서리 부(200)에서 센터 플레이트(100)를 기준으로 상하로 'ㄷ'형상으로 형성되므로 모서리부분을 자른 것과 같은 단면이 전체적으로 'ㄹ'형상을 가지게 되는 것이다.
결국, 애노드 웨트실(110) 및 캐소드 웨트실(120)이 각각 센터 플레이트(100)에 대하여 형성되는 공간이 종래의 센터 플레이트와는 달리 동일한 평면상에서 단면을 가지게 되며 센터 플레이트(100)는 전체적으로 모서리가 절단된 8각형 형상을 갖게 된다.
도 4를 참조하면, 이와 같은 모서리가 절단된 것과 같은 8각형 형상의 센터 플레이트가 성형되기 위해서는 센터 플레이트를 성형하기 전 소재의 형상을 도 4에 도시된 것과 같이 마련할 수 있다.
도시된 바와 같은 센터 플레이트 소재의 전개 형상은 소재를 트리밍하는 공정에서 금형을 변형하여 상기와 같은 모습으로 만들 수 있으며, FEM 시뮬레이션을 통하여 이와 같은 전개 형상을 결정할 수도 있다.
결정된 전개 형상을 일반 센터 플레이트 소재와 같이 두 번 굽힘 공정을 거치게 되면 일반 센터 플레이트와 다르게 상기 애노드 웨트실(110) 및 캐소드 웨트실(120)이 인접하는 센터 플레이트의 모서리 부분이 동일 평면상에 위치하도록 상기 센터 플레이트 모서리 부(200)의 단면이 'ㄹ' 형상을 가지게 된다.
나아가, 종래의 센터 플레이트 형상에 대해서 직각으로 형성된 각 모서리를 8각형이 되도록 절단하는 방법으로 성형하는 방법을 고려할 수 있으나, 이는 소재의 두께 및 형상을 고려하여 적용할 수 있을 것이다.
도 5를 참고하면, 이와 같이 성형된 센터 플레이트(100)의 모서리 부분의‘ㄹ’형상을 따라 모서리 부 막음판(300)을 그에 맞게 마련한 뒤, ㄹ’형상을 따라 레이저로 용접하거나 브레이징으로 접합할 수 있으며, 이와 같이 접합하는 경우 기존 조립 공정보다 단순하고 정밀하게 용접이 가능하며 공정도 대폭 감소하기 때문에 효율적인 생산이 가능하다.
또한, 상기 센터 플레이트(100)는 단위전지로 제작되어 스택으로 제작될 수 있으며 스택에 매니폴드를 부착하기 위해서는 센터 플레이트에 막음판을 부가하고 매니폴드가 상호 접촉하는 사이에 개스킷을 끼워 매니폴드 간의 밀폐를 유지하면서 안정적으로 매니폴드를 스택과 결합할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 센터 플레이트(100)의 네 변은 애노드 매니폴드 한 쌍 및 캐소드 매니폴드 한 쌍으로 구성된 외부 매니폴드 부(400)와 밀착되며, 상기 애노드 매니폴드 및 캐소드 매니폴드의 끝단은 상호 상기 센터 플레이트(100)의 모서리 부위에서 인접하게 되어 상기 외부 매니폴드 부(400)가 전체적으로 'ㅁ' 형상인 구조를 가질 수 있다.
상기 외부 매니폴드 부(400)는 애노드 매니폴드 한 쌍 및 캐소드 매니폴드 한 쌍인 네개의 매니폴드로 구성될 수 있으며, 상기 센터 플레이트(100)의 네 변을 따라 애노드 입력 매니폴드(410) 및 애노드 출력 매니폴드(420)가 서로 마주보는 변에 위치하고, 캐소드 입력 매니폴드(430) 및 캐소드 출력 매니폴드(440)이 나머지 마주보는 변에 위치하는 구조를 가진다.
또한, 상기 애노드 매니폴드(410)(420) 및 캐소드 매니폴드(430)(440)의 끝단은 상호 상기 센터 플레이트(100)의 모서리 부위에서 인접하게 되며, 상기 애노드 매니폴드(410)(420)와 캐소드 매니폴드(430)(440)의 끝단 사이에는 매니폴드 절연 가스켓(450)이 마련되어 애노드 매니폴드 및 캐소드 매니폴드 상호 간은 외부 매니폴드 부 절연 가스켓(450)에 의해 절연이 유지될 수 있다.
나아가, 센터 플레이트(100)의 모서리 부에 상기 모서리 부 막음판(300)이 결합되고 그 위에 모서리 부 절연 가스켓(310)을 더 부가되어 상기 외부 매니폴드 부(400)와의 밀폐 및 결합성을 향상시킬 수 있다.
도 1에서 도시된 바와 같은 종래의 매니폴드의 경우, 매니폴드가 각각 분리되어 모서리에서의 가스 밀폐가 중요한 문제가 될 수 있지만 본 특허에서와 같이 매니폴드를 부착하는 경우 모서리부분에서 상호 밀착 결합되는 구조를 가지므로 밀폐성이 향상된다.
또한, 매니폴드가 서로‘ㅁ’자 형태로 연결되는 경우 외부에서 힘을 가할수록 각각의 매니폴드 사이에 작용하는 힘이 각각의 매니폴드로 분산되어 매니폴드에서의 가스 밀폐성이 더욱 향상되는 결과를 얻을 수 있다.
나아가, 이와 같이 제작하는 경우 제작 관점에서 성형 공정이 단순해지고 막음판의 조립 및 용접 공정이 단순해져 생산성이 향상되어 원가절감이 되며, 막음판의 밀폐성이 향상되기 때문에 연료전지의 효율이 향상되는 효과가 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10; 스택 11; 외부 애소드 매니폴드
12; 외부 캐소드 매니폴드 20; 종래 센터 플레이트
21; 애노드 웨트실 부 22; 캐소드 웨트실 부
30; 막음판
100; 센터 플레이트 110; 애노드 웨트실
120; 캐소드 웨트실 200; 센터 플레이트 모서리 부
300; 모서리 부 막음판 310; 모서리 부 절연 가스켓
400; 외부 매니폴드 부 410; 애노드 입력 매니폴드
420; 애노드 출력 매니폴드 430; 캐소드 입력 매니폴드
440; 캐소드 출력 매니폴드 450; 매니폴드 절연 가스켓

Claims (4)

  1. 마주보는 한 쌍의 변에 각각 형성된 애노드 웨트실(110); 마주보는 한 쌍의 변에 각각 형성된 캐소드 웨트실(120); 및 상기 애노드 웨트실(110)과 상기 캐소드 웨트실(120)이 인접하는 모서리 부분이 동일 평면상에 위치하도록 단면이 'ㄹ'형상으로 형성된 센터 플레이트 모서리 부(200);를 포함하는 센터 플레이트(100); 및
    상기 센터 플레이트 모서리 부(200)의 단면에 대응하여 결합되는 모서리 부 막음판(300);을 포함하며,
    상기 애노드 웨트실(110)와 캐소드 웨트실(120)은 센터 플레이트(100)의 모서리를 중심으로 이웃하여 상하로 위치하도록 각 변의 단면은 'ㄷ' 형상으로 형성되며,
    상기 센터 플레이트(100)는, 상기 애노드 웨트실(110)이 형성된 변이 애노드 매니폴드와 밀착되고, 상기 캐소드 웨트실(120)이 형성된 변이 캐소드 매니폴드와 밀착되고,
    상기 모서리 부 막음판(300)은 상기 애노드 매니폴드의 끝단 및 상기 캐소드 매니폴드의 끝단에 각각 밀착되되, 상기 애노드 매니폴드의 끝단면과 상기 캐소드 매니폴드의 끝단면도 서로 마주보며 밀착되는 것을 특징으로 하는 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지의 센터 플레이트 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 센터 플레이트(100)는 상기 센터 플레이트 모서리 부(200)의 단면이 'ㄹ' 형상을 갖도록 절곡된 평판을 굽힘 가공하여 형성되는 것을 특징으로 하는 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지의 센터 플레이트 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 애노드 매니폴드 및 상기 캐소드 매니폴드를 각각 한 쌍씩 포함하는 매니폴드 부(400)는 전체적으로 'ㅁ' 형상을 가질 수 있으며,
    상기 애노드 매니폴드와 캐소드 매니폴드의 끝단 사이에는 매니폴드 절연 가스켓(450)이 마련되어 애노드 매니폴드 및 캐소드 매니폴드 상호 간은 매니폴드 절연 가스켓(450)에 의해 절연이 유지되는 것을 특징으로 하는 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지의 센터 플레이트 시스템.
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