KR101360713B1 - 연료전지용 결합장치 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

연료전지용 결합장치 및 이를 포함하는 연료전지 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 연료전지 스택 또는 연료전지 스택과 하부 또는 하부에 제공되는 구조물을 밀봉하여 결합할 수 있고, 쉽게 분리할 수 있도록 제공되어 분리과정에서 연료전지 스택 또는 연료전지 스택이 손상되는 것을 방지토록 한 연료전지용 결합장치 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것으로, 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지용 결합장치는 연료 또는 산화제를 반응하여 에너지를 생성하는 적어도 하나의 연료전지가 적층되어 제공되는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택의 상부 또는 하부에서 연료 또는 산화제를 공급하도록 연계되는 구조물을 밀봉하며 결합하는 연료전지용 결합장치로서, 상기 연료전지 스택과 상기 구조물 사이를 밀봉하여 결합하도록 제공되는 열가소성 소재의 밀봉재; 및 상기 밀봉재 내에 함침되어 제공되며 전기에 의해 발열되는 발열체;를 포함한다.

Description

연료전지용 결합장치 및 이를 포함하는 연료전지 스택 {FUEL CELL STACK SEALING DEVICE AND FUEL CELL STACK HAVING THE SAME}
본 발명은 연료전지용 결합장치 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택을 상부 또는 하부 구조물에 밀봉하며 결합하는데 이용되는 연료전지용 결합장치 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전시스템으로, 예컨대 아노드(anode)측인 연료극에는 연료(일례로 수소가스)가 공급되고, 캐소드(cathode)측인 공기극에는 산화제(일례로 공기)가 주입되며, 이들의 반응시 발생하는 화학적 에너지를 이용하여 전기적 에너지로 변환한다.
이러한 연료전지는 작동온도, 전해질 종류에 따라 저온형, 고온형으로 구분할 수 있으며, 저온형은 주로 자동차 등에 사용되는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)가 대표적이며, 고온형은 MCFC(Molen Carbonate Fuel Cell), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 및 SOFC의 역반응을 이용한 SOEC(solid oxide electrolysis cell)이 대표적으로 사용된다.
연료전지는 연료(수소)와 산화제가 지속적으로 주입되는 과정에서 연속적인 발전이 가능하며, 연료의 경우 발전효율, 경제성을 고려하여 이용률을 높여야 상업적 가치를 높일 수 있다.
도 1을 참고하면, 이러한 연료전지(100)는 연료 또는 산화제의 공급이 이루어지는 분리판 및 연료극, 공기극 등을 포함하는 하나의 단위전지(unit cell) 단위로 제공되며, 이러한 단위전지를 다수층으로 적층하여 연료전지 스택(1)을 구성한다.
여기서, 연료전지 스택(1)은 각 단위전지의 연료전지(100)의 최상부 및 최하부에 각각 상부판(10) 및 하부판(20)을 놓고, 볼트 등의 체결수단(30)을 이용하여 가압 및 체결이 이루어진다.
한편, 연료전지 스택(1)은 제조공정에서 사용되는 첨가제 및 용매를 제거하고 스택(1)을 초기 안정화시키는 전처리공정이 진행된다.
또한, 연료전지 스택(1)은 제품으로 출하전에 성능 및 밀봉테스트 등을 위해 각 연료전지(100)로 연료 또는 산화제를 공급하기 위한 공급배관이 연계되며, 이러한 공급배관은 상부 또는 하부에 제공되는 구조물(40)에 제공된다.
종래의 연료전지 스택(1)은 상부 또는 하부에 제공되는 구조물(40)과 용접부(W)에 의해 결합되며, 제품으로 출하시에는 구조물(40)과 분리된다. 이때, 종래에는 연료전지 스택(1)과 구조물(40)을 분리하기 위해 용접부(W)를 용해하여 제거하고 있다.
종래에는 연료전지 스택(1)과 구조물(40)을 결합하던 용접부(W)를 제거하더라도 쉽게 분리되지 않으며, 이에 따라 연료전지 스택(1)에 진동 등을 가하여 분리하고 있다.
그러나, 연료전지 스택(1)과 구조물(40)의 분리를 위해 진동을 가하는 과정에서 발생되는 충격 등에 의해 연료전지(100)에 제공되는 밀봉재 및 연료전지 스택(1) 자체에 손상을 유발시키는 요인이 되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 연료전지 스택 또는 연료전지 스택과 하부 또는 하부에 제공되는 구조물을 밀봉하여 결합할 수 있고, 쉽게 분리할 수 있도록 제공되어 분리과정에서 연료전지 스택 또는 연료전지 스택이 손상되는 것을 방지토록 한 연료전지용 결합장치 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지용 결합장치는 연료 또는 산화제를 반응하여 에너지를 생성하는 적어도 하나의 연료전지가 적층되어 제공되는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택의 상부 또는 하부에서 연료 또는 산화제를 공급하도록 연계되는 구조물을 밀봉하며 결합하는 연료전지용 결합장치로서, 상기 연료전지 스택과 상기 구조물 사이를 밀봉하여 결합하도록 제공되는 열가소성 소재의 밀봉재; 및 상기 밀봉재 내에 함침되어 제공되며 전기에 의해 발열되는 발열체;를 포함한다.
상기 밀봉재는 유리(glass fit)를 포함하는 세라믹 소재 또는 합성수지를 포함할 수 있다.
상기 발열체는 상기 연료전지 스택 또는 상기 구조물 중 어느 하나의 면적에 대응되는 크기로 제공되는 판형 발열체와, 상기 판형 발열체와 연결되어 상기 밀봉재의 외부로 연장되어 외부 전원에 연결되는 전원선을 포함할 수 있다.
상기 발열체는 상기 연료전지 스택 또는 상기 구조물 중 어느 하나에 면적에 대응하여 다수열로 제공되거나, 굴곡되어 연결되는 적어도 하나의 열선과, 상기 열선에 연계되어 상기 밀봉재의 외부로 연장되어 외부 전원에 연결되는 전원선을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지 스택은 연료 또는 산화제를 반응하여 에너지를 생성하는 적어도 하나의 연료전지가 적층되어 제공되는 연료전지 스택에 있어서, 상기 연료전지는 적어도 하나의 분리판; 및 상기 분리판을 밀봉하며 결합하도록 매개되는 전술된 연료전지용 결합장치;를 포함하는 연료전지 스택.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 스택 또는 연료전지 스택과 구조물을 결합 및 밀봉하는 밀봉재의 내부에 발열체가 함침되어 제공되도록 하고, 연료전지 스택 또는 연료전지 스택과 구조물의 분리시 이 발열체로부터 밀봉재로 가해지는 열에 의해 밀봉재가 용융되어 연료전지 스택 또는 연료전지 스택과 구조물을 쉽게 분리할 수 있으며, 분리과정에서 연료전지 스택 또는 연료전지 스택과 구조물에 손상이 발생하는 것을 예방할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 스택과 하부의 구조물을 결합한 상태를 도시한 정면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택과 하부의 구조물을 결합한 상태를 도시한 정면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 분리하여 도시한 분해사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 결합상태를 간략하게 도시한 단면도.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택과 하부의 구조물을 결합한 상태를 도시한 정면도이다.
도 2를 참고하면, 연료전지 스택(1)은 연료 또는 산화제의 공급이 이루어지는 분리판 및 연료극, 공기극 등을 포함하는 하나의 단위전지 단위로 제공된 연료전지(100)를 다수층으로 적층하여 제공될 수 있다.
이러한 연료전지 스택(1)은 적층된 연료전지(100)의 최상부 및 최하부에 상부판(10) 및 하부판(20)을 넣고, 볼트 등의 체결수단(30)을 이용하여 가압 및 체결할 수 있다.
한편, 연료전지 스택(1)은 제조과정에서 내부의 분리판 등에 제공되는 각종 마스킹판(또는 전해질막)이나, 각 연료전지(100)를 결합하는 밀봉재 등을 건조하는 전처리공정이 진행된다.
또한, 연료전지 스택(1)은 제품으로 출하전에 성능 및 밀봉테스트 등을 위해 각 연료전지(100)로 연료 또는 산화제를 공급하기 위한 공급배관이 연계되며, 이러한 공급배관은 상부 또는 하부에 제공되는 구조물(40)에 제공된다.
본 실시예에서 연료전지 스택(1)은 구조물과의 사이에 연료전지용 결합장치(50)가 제공될 수 있다. 본 실시예에서 연료전지용 결합장치(50)는 연료전지 스택(1)과 구조물(40)을 밀봉하며 결합할 수 있다.
이러한 연료전지용 결합장치(50)는 연료전지 스택(1)과 구조물(40) 사이를 밀봉하여 결합하도록 제공되는 밀봉재(52)를 포함할 수 있다.
여기서 밀봉재(52)는 열가소성 소재로 제공될 수 있다. 이러한 밀봉재(52)는 상온 내지 연료전지의 작동시 발생하는 온도보다는 낮은 온도에서 소성되는 것이 바람직하다.
한편, 본 실시예에서 사용되는 밀봉재(52)는 연료전지의 종류에 따라 활용가능한 온도범위가 달라질 수 있다. 일례로, SOFC에 제공되는 밀봉재는 800~850℃에서 녹고, 700~750℃에서 재응고되어 밀봉될 수 있으며, MCFC에 제공되는 밀봉재는 700~750도에서 녹고, 600~650℃에서 재응고되어 밀봉될 수 있다.
예컨대 이러한 밀봉재(52)로는 유리(glass fit)를 포함하는 세라믹 소재를 포함할 수 있다.
한편, 발열체(54)는 연료전지 스택(1) 또는 구조물 중 어느 하나의 면적에 대응하는 크기로 제공되는 판형 발열체를 포함할 수 있다.
이러한 판형 발열체는 가스켓(gasket)과 같이 연료전지 스택(1)과 구조물(40) 사이에 제공되며, 판형으로 제공됨에 따라 전체적인 하중을 지지할 수 있다.
판형 발열체에는 밀봉재(52)의 외부로 연장되는 전원선이 연계될 수 있으며, 전원선에는 외부 전원이 연결되어 전기를 공급하게 된다. 판형 발열체는 전원선을 통해 공급되는 전기에 의해 발열될 수 있다.
판형 발열체는 전기를 통해 고온을 발생시킬 수 있는 소재로 제공되며, 대표적으로 금속소재가 사용될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서 연료전지용 결합장치는 판형 발열체가 발열됨에 따라 밀봉재(52)를 용융시킬 수 있다. 이에 따라 연료전지 스택(1)과 구조물을 밀봉하며 결합하는 밀봉재(52)가 용융됨에 따라 연료전지 스택(1)을 구조물(40)로부터 쉽게 분리할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 발열체(54)는 판형 발열체와, 전원선으로 제공되는 것으로 설명하고 있으나, 발열체(54)의 구조는 한정되지 않으며 다양하게 변형될 수 있다.
일례로, 발열체는 열선을 포함하는 것도 가능하다. 여기서, 열선은 연료전지 스택(1) 또는 하부 구조물 중 어느 하나에 면적에 대응하여 다수열로 제공되거나, 굴곡되어 연결될 수 있다. 이러한 열선은 밀봉재의 외부로 연장되어 외부 전원에 연결되는 전원선이 연계됨에 따라, 전기의 공급에 의해 발열되며 밀봉재를 용융시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 분리하여 도시한 분해사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 결합상태를 간략하게 도시한 단면도이다.
도 3과 도 4를 참고하면, 연료전지(100)는 적어도 하나의 분리판(120a, 120b)을 포함할 수 있으며, 분리판(120a, 120b)은 연료전지용 결합장치를 매개로 결합될 수 있다.
일례로, 도 3을 참고하면, 연료전지(100)의 하나인 MCFC의 기본단위인 단위전지는 연료극(110a) 및 공기극(110b)을 포함할 수 있다.
이들 단위전지를 바이폴라판(bipolar plate)(130)과 바이폴라판(130)의 상부 및 하부에 마련되는 한 쌍의 마스크판(mask plate)을 포함하는 분리판(120a, 120b)을 사이에 두고 적층하여 연료전지 스택(1)을 구성한다.
제1, 2마스크판(120a, 120b) 또는 바이폴라판(130)의 가장자리에는 매니폴드부(150)가 형성되고, 매니폴드부(150)에는 연료가스 또는 공기가 흐르는 가스공급구로서 홀(H)이 형성된다.
분리판(120a, 120b)은 스택(1)을 구성하는 여러 장의 단위전지에 골고루 연료 기체 및 공기를 분배시켜주는 매니폴드부(150)와 매니폴드부(150)로부터 공급된 연료 기체 및 공기를 연료극(110a) 및 공기극(110b)에 고르게 흐르게 해 주는 유로부(122)로 구성된다.
또한, 하나의 분리판 분리판(120a, 120b)에 접촉 지지되는 연료극(110a)과 인접한 또 하나의 분리판에 접촉 지지되는 공기극(110b) 사이에는 연료전지용 결합장치(50)가 제공될 수 있다.
이때, 연료전지용 결합장치(50)는 각 분리판(120a, 120b)과 연료극(110a) 공기극(110b)들을 밀봉하면서 결합할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 연료는 수소가스를 포함할 수 있다. 또한, 산화제는 산소가스를 포함할 수 있다.
더불어, 산소가스는 순산소가 사용되는 것도 가능하며 본 실시예에서는 산소가스를 포함하는 있는 대기, 즉 공기를 사용하는 것도 가능하다.
본 실시예의 연료전지(100)는 분리판(120a, 120b)에 제공되는 연료 산화제가 이온화되어 분리판(120a, 120b)을 통과하게 되며, 산화, 환원반응에 의해 물(H20)을 생성하며, 이 과정에서 전자를 발생시킨다. 이러한 반응과정은 다음의 화학식 1 또는 화학식 2와 같다.
Figure 112012107245466-pat00001
Figure 112012107245466-pat00002
전술된 바와 같이, 본 실시예의 연료전지(100)는 분리판(120a, 120b) 및 이와 연계되는 다른 구성부들이 연료전지용 결합장치(50)를 매개로 결합될 수 있다.
이러한 연료전지(100)는 연료전지용 결합장치(50)에 의해 결합유지된 상태로 사용될 수 있으며, 내부 수리 등을 위해 필요시 분리가 필요할 시, 연료전지용 결합장치(50)의 발열체(54)를 가열하면 밀봉재(52)를 용융시킬 수 있으며, 이를 이용하여 분리판(120a, 120b) 등을 쉽게 분리할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
1: 연료전지 스택 10: 상부판
20: 하부판 30: 체결수단
40: 구조물 50: 연료전지용 결합장치
52: 밀봉재 54: 발열체
100: 연료전지

Claims (5)

  1. 연료 또는 산화제를 반응하여 에너지를 생성하는 적어도 하나의 연료전지가 적층되어 제공되는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택의 상부 또는 하부에서 연료 또는 산화제를 공급하도록 연계되는 구조물을 밀봉하며 결합하는 연료전지용 결합장치로서,
    상기 연료전지 스택과 상기 구조물 사이를 밀봉하여 결합하도록 제공되는 열가소성 소재의 밀봉재; 및
    상기 밀봉재 내에 함침되어 제공되며 전기에 의해 발열되는 발열체;
    를 포함하는 연료전지용 결합장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 밀봉재는 유리(glass fit)를 포함하는 세라믹 소재 또는 합성수지를 포함하는 연료전지용 결합장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 발열체는
    상기 연료전지 스택 또는 상기 하부 구조물 중 어느 하나의 면적에 대응되는 크기로 제공되는 판형 발열체와,
    상기 판형 발열체와 연결되어 상기 밀봉재의 외부로 연장되어 외부 전원에 연결되는 전원선을 포함하는 연료전지용 결합장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 발열체는
    상기 연료전지 스택 또는 상기 하부 구조물 중 어느 하나에 면적에 대응하여 다수열로 제공되거나, 굴곡되어 연결되는 적어도 하나의 열선과,
    상기 열선에 연계되어 상기 밀봉재의 외부로 연장되어 외부 전원에 연결되는 전원선을 포함하는 연료전지용 결합장치.
  5. 연료 또는 산화제를 반응하여 에너지를 생성하는 적어도 하나의 연료전지가 적층되어 제공되는 연료전지 스택에 있어서,
    상기 연료전지는
    적어도 하나의 분리판; 및
    상기 분리판을 밀봉하며 결합하도록 매개되는 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 결합장치;를 포함하는 연료전지 스택.
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