KR101401450B1 - 연료전지의 매니폴드 절연장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 매니폴드 절연장치에 관한 것이다. 본 발명은, 스택의 외측면에 테두리부가 결합되는 매니폴드; 및 상기 스택과 매니폴드의 테두리부 사이에 구비되는 매니폴드 절연체;을 포함하고, 상기 매니폴드의 테두리부에는 상기 매니폴드 절연체의 일측면이 삽입되거나 밀착되어 지지되도록 지지부가 형성됨으로써, 상기 매니폴드와 절연체의 가공이 용이하고, 상기 매니폴드와 절연체가 고온에서 변형되거나 손상되는 것을 최소화할 수 있으며, 상기 매니폴드를 세워 스택에 결합하더라도 상기 매니폴드 절연체가 자중에 의해 처지는 것을 방지하여 안정적으로 결합상태를 유지할 수 있다.

Description

연료전지의 매니폴드 절연장치{MANIFOLD INSULATION DEVICE FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료 전지의 스택과 매니폴드 사이를 절연하는 매니폴드 절연장치에 관한 것으로, 특히 매니폴드 절연체의 결합시 가스 누설을 방지할 수 있는 연료전지의 매니폴드 절연장치에 대한 것이다.

일반적으로 연료전지는 반응물의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어 주는 발전장치이다. 연료전지는 기존의 다른 화학에너지와는 달리 부산물로 배출되는 것이 오직 물(H₂O)뿐이어서 공해 및 소음이 거의 없으며, 반응이 간단하여 차세대 대체 에너지로 각광 받고 있다.

특히, 연료전지 중에서 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC)는 탄산염의 용융물을 전해질로 사용하여 작동온도가 600℃ 이상이기 때문에 전기화학 반응의 속도가 빨라 저온형 연료전지와는 달리 백금 등의 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 전기와 고온을 함께 이용할 경우 60% 이상의 열효율을 기대할 수 있어 복합열병합 발전이 가능하다.

상기 용융탄산염 연료전지의 단위셀(Unit Cell)은 전기화학 반응이 일어나는 연료극(Anode)과 공기극(Cathode), 연료 가스와 산화제 가스의 유로를 형성하는 분리판, 전하를 포집하는 집전판, 적층의 편의를 위해 시트의 형태로 제작되는 전해질판, 용융된 탄산염을 수용하는 매트릭스를 포함한다.

상기와 같은 용융탄산염 연료전지는 연료극으로 연료 가스를 공급하고 공기극으로 산화제가스를 공급하면 상기 전극 사이에서 전기 화학반응이 발생하여 직류 전력를 발생시킨다.

이러한 단위셀의 전압은 정격 방전시에 약 0.8~1.2V로 낮기 때문에, 실제 발전에서는 다수 개의 단위셀을 적층하여 전압을 높이고, 셀 면적을 확장시켜 고출력화를 달성하게 된다. 상기 단위셀을 여러 단으로 적층한 것을 스택(stack)이라 한다.

그리고 상기 스택의 측면에는 연료극과 공기극의 입/출구를 형성하는 매니폴드(manifold)가 결합된다. 상기 스택과 매니폴드에 의해 형성되는 유로로 연료 가스와 산화제 가스가 각각 유동하게 되므로 상기 스택과 매니폴드 사이에는 기밀을 유지시켜야 할 뿐만 아니라 단위셀들 사이에 전기적인 절연이 유지되도록 하여야 한다.

특히, 용융탄산염 연료전지는 고온에서 작동하기 때문에 상기 매니폴드와 스택을 밀착시키는 체결장치 등에 열변형이 발생할 수 있다. 그러면 상기 매니폴드 절연체의 결합 구조가 틀어지거나 구속력이 낮아지면서 제 위치에서 벗어나게 되고 이로 인해 상기 스택과 매니폴드 틈새가 발생되어 이 틈새를 통해 연료 가스 또는 산화제 가스가 누설될 수 있다. 따라서, 상기 용융탄산염 연료전지의 발전 효율과 수명 및 성능을 높이기 위해서는 스택과 매니폴드 사이의 기밀을 유지하는 것과 상기 스택의 단위셀들 사이를 전기적으로 절연시키는 것이 중요하다.

예를 들어, 미국특허 US 7494736호에는 매니폴드에 핀을 고정하고 가스켓과 매니폴드 절연체에 각각 핀구멍을 형성하여 그 핀구멍에 상기 핀을 삽입함으로써 매니폴드 절연체가 제 위치를 벗어나지 않게 하는 예가 개시되어 있다. 하지만, 이 경우에는 상기 매니폴드 절연체와 가스켓에 핀구멍을 형성하여야 하므로 기밀성이 저하될 수 있다. 또, 고온에서 가스켓과 매니폴드 절연체의 열팽창율이 매니폴드의 열팽창보다 작기 때문에 핀구멍의 길이가 길어져야 하므로 상기 핀구멍의 길이를 정확학 설계하기도 어려울 뿐만 아니라 기밀성이 저하될 우려가 있다. 만약 상기 핀구멍의 길이가 너무 길면 가스누설이 발생될 수 있고 반대로 핀구멍의 길이가 너무 짧으면 핀 또는 핀구멍이 손상되거나 가스켓과 매니폴드 절연체가 변형되면서 생긴 틈을 통해 가스가 누설될 수 있었다.

또한, 미국특허 US 6887611호에는 상기 매니폴드 절연체가 제 위치를 벗어나지 않게 하는 볼록핀이 개시되어 있다. 하지만, 이 경우에도 서로 다른 재질을 가진 매니폴드와 절연체는 온도에 대한 변형 정도가 다르기 때문에, 상기 볼록핀이 구비되더라도 고온에서 매니폴드 절연체가 제 위치를 벗어날 수 있었다.

본 발명의 목적은, 스택과 매니폴드 사이에 개재되는 매니폴드 절연체를 용이하게 설치할 수 있을 뿐만 아니라 상기 매니폴드 절연체를 지지하기 위한 부재로 인해 가스가 누설되는 것을 미연에 방지할 수 있는 연료전지의 매니폴드 절연장치를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 스택의 외측면에 테두리부가 결합되는 매니폴드; 및 상기 스택과 매니폴드의 테두리부 사이에 구비되는 매니폴드 절연체;을 포함하고, 상기 매니폴드의 테두리부에는 상기 매니폴드 절연체의 일측면이 밀착되어 지지되도록 지지부가 형성되는 연료전지의 매니폴드 절연장치가 제공될 수 있다.

여기서 상기 매니폴드의 테두리부에는 적어도 한 개 이상의 지지편이 고정 결합되고, 상기 매니폴드 절연체에는 상기 지지편에 삽입되어 결합되도록 결합홈이 형성될 수 있다.

그리고 상기 지지편에는 상기 매니폴드에 결합되는 고정부가 형성되고, 상기 고정부에서 연장되어 상기 매니폴드 절연체의 결합홈에 삽입되도록 지지부가 형성될 수 있다.

그리고 상기 매니폴드의 테두리부에는 적어도 한 개 이상의 지지편이 고정 결합되고, 상기 매니폴드 절연체는 상기 지지편에 얹혀져 자중방향으로 지지될 수 있다.

그리고 상기 지지편에는 상기 매니폴드에 결합되는 고정부가 형성되고, 상기 고정부에는 그 고정부에서 연장되어 상기 매니폴드의 절연체가 얹히는 지지부가 형성되며, 상기 지지부에는 절연캡이 복개되도록 설치될 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지의 매니폴드 절연장치는, 상기 매니폴드의 테두리에 매니폴드 절연체가 삽입되어 결합됨에 따라 상기 매니폴드와 절연체의 가공이 용이하고, 상기 매니폴드와 절연체가 고온에서 변형되거나 손상되는 것을 최소화할 수 있으며, 상기 매니폴드를 세워 스택에 결합하더라도 상기 매니폴드 절연체가 자중에 의해 처지는 것을 방지하여 안정적으로 결합상태를 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 용융탄산염 연료전지의 스택에서 매니폴드의 일부를 파단하여 보인 사시도,
도 2는 도 1에 따른 매니폴드와 그 매니폴드에 매니폴드 절연체가 지지된 일례를 보인 사시도,
도 3은 도 2의 "I-I"선단면도,
도 4는 도 1에 따른 매니폴드와 그 매니폴드에 매니폴드 절연체가 지지된 다른 예를 보인 사시도,
도 5는 도 4의 "II-II"선단면도.

이하, 본 발명에 의한 연료전지의 매니폴드 절연장치를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 용융탄산염 연료전지의 스택에서 매니폴드의 일부를 파단하여 보인 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 매니폴드와 그 매니폴드에 매니폴드 절연체가 지지된 일례를 보인 사시도이며, 도 3은 도 2의 "I-I"선단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 용융탄산염 연료전지(이하, 연료전지로 약칭함)(1)는, 스택(10)의 측면에 매니폴드(20)가 각각 설치되고, 상기 매니폴드(20)의 테두리에는 후술할 매니폴드 절연체(이하, 절연체로 약칭함)(40)와 가스켓(50)을 지지하기 위한 지지편(30)이 설치되며, 상기 지지편(30)에는 상기 스택(10)과 매니폴드(20)의 사이에는 절연을 위한 절연체(40)가 설치되고, 상기 절연체(40)의 양측에는 각각 기밀을 위한 가스켓(50)이 설치된다.

상기 스택(10)은 다수 개의 단위셀(11)을 적층하여 도 1에서와 같이 사각박스 모양으로 형성될 수 있다. 상기 단위셀(11)은 전기화학 반응이 일어나는 연료극과 공기극, 연료 가스와 산화제 가스의 유로를 형성하는 분리판, 전하를 포집하는 집전판, 적층의 편의를 위해 시트의 형태로 제작되는 전해질판, 용융된 탄산염을 수용하는 매트릭스를 포함할 수 있다.

상기 매니폴드(20)는 상기 스택(10)과 접하는 면이 개구된 내부공간을 갖는 하우징부(21)와, 상기 하우징부(21)의 개구측 끝에 절곡 연장되는 테두리부(22)를 포함할 수 있다.

상기 테두리부(22)에는 그 테두리부를 따라 일정 간격을 두고 상기 지지편(30)이 용접 또는 볼트로 체결될 수 있다.

상기 지지편(30)은 도 2에서와 같이 다수 개가 매니폴드(20)의 테두리부(22)를 따라 적당개소에 설치될 수도 있지만, 경우에 따라서는 상기 매니폴드(20)의 테두리부(22) 전체에 걸쳐 형성될 수도 있다.

상기 지지편(30)은 상기 매니폴드(20)에 결합되도록 고정부(31)가 형성되고, 상기 고정부(31)의 일측에는 후술할 절연체(40)의 결합홈(43)에 삽입되도록 지지부(32)가 돌출 형성될 수 있다. 상기 지지부(32)는 상기 고정부(31)의 끝단에서 매니폴드(20)의 개구면 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다.

상기 절연체(40)는 상기 스택(10)의 외측면과 매니폴드(20)의 내측면 사이에 밀착되어 설치될 수 있다. 상기 절연체(40)와 스택(10)의 사이 또는 상기 절연체(40)와 매니폴드(20)의 사이에는 가스켓(50)이 각각 설치될 수 있다. 이로써, 상기 절연체(40)는 상기 스택(10)과 매니폴드(20) 사이를 절연시키는 동시에 상기 매니폴드(20)의 내부에서 유동하는 가스가 외부로 누설되는 것을 방지할 수 있다.

그리고 상기 절연체(40)는 상기 스택(10)의 각 단위셀(11)들 사이의 전기적인 절연을 위하여 절연 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 절연체(40)는 세라믹 재질로 형성될 수 있다.

그리고 상기 절연체(40)는 매니폴드(20)의 테두리부(22)와 대응되도록 사각틀 모양으로 형성될 수 있다. 그리고 상기 절연체(40)는 한 면 당 한 개씩의 절연체로 형성될 수도 있지만, 조립성과 매니폴드(20)의 열팽창을 고려하면 한 면 당 복수 개의 절연체 조각을 조립하여 형성될 수도 있다. 복수 개의 절연체 조각을 조립하여 형성될 경우에는 각 절연체 조각의 양단에 테이퍼진 조립편(미도시)이 삽입될 수 있도록 조립홈(미도시)이 각각 대응되게 형성될 수 있다.

그리고 상기 절연체(40)는 상기 매니폴드(20)의 테두리부(22)에 밀착되도록 형성되는 절연부(41)와, 상기 절연부(41)의 내측면에서 안쪽 횡방향으로 연장되고 상기 지지편(30)의 지지부(32)에 삽입되도록 그 안쪽에 결합홈(43)을 형성하는 결합부(42)로 이루어질 수 있다.

상기 절연부(41)는 사각단면 형상으로 형성될 수 있고, 상기 결합부(42)는 단차(ㄱ)진 모양으로 절곡되어 형성될 수 있다. 그리고 상기 절연체(40)의 결합부(42)는 상기 지지편(30)의 제2 지지부(32)와 대응되도록 상기 절연체(40)의 길이방향을 따라 길게 형성될 수 있다.

여기서, 상기 절연부(41)의 높이는 상기 결합부(42)의 높이보다 높게 형성되는 것이 상기 절연부(41)가 스택 또는 스택측 가스켓과 긴밀하게 접촉할 수 있어 바람직하다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 연료 전지의 매니폴드 절연장치는, 상기 절연체(40)의 절연부(41)가 상기 매니폴드(20)의 테두리부(22)에 얹히고, 상기 매니폴드(20)의 테두리부(22)에는 절연체(40)가 삽입되어 결합되도록 지지부(32)를 갖는 지지편(20)이 구비되어 상기 절연체(40)의 결합홈(43)에 상기 지지편(20)의 지지부(32)가 삽입되어 상기 매니폴드(20)와 절연체(40)가 결합될 수 있다.

이에 따라, 상기 매니폴드와 절연체의 가공이 용이할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 절연체의 결합부가 매니폴드의 테두리부를 따라 연속으로 형성됨에 따라 상기 매니폴드와 절연체가 고온에서의 열팽창율이 다르더라도 상기 매니폴드가 절연체에 의해 구속되지 않아 자유롭게 열팽창될 수 있다. 이에 따라, 상기 절연체가 변형되거나 손상되는 것을 미연에 방지할 수 있고, 상기 매니폴드 내부의 가스가 누설되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

또, 상기 절연체의 결합홈에 상기 지지편의 제2 지지부를 삽입하여 조립함에 따라 상기 매니폴드를 세워 스택에 결합하더라도 상기 절연체가 자중에 의해 처지는 것을 방지하여 안정적으로 결합상태를 유지할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 연료전지의 매니폴드 절연장치에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예에서는 상기 절연체의 결합홈에 상기 지지편의 제2 지지부를 삽입하여 결합하는 것이나, 본 실시예에서는 상기 절연체에 별도의 결합홈을 형성하지 않고 상기 제2 지지부에 절연체가 얹혀져 자중 방향으로 지지되도록 하는 것이다.

도 4는 도 1에 따른 매니폴드와 그 매니폴드에 매니폴드 절연체가 지지된 다른 예를 보인 사시도이고, 도 5는 도 4의 "II-II"선단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 매니폴드(20)의 테두리부(22)에는 지지편(30)이 일정 간격을 두고 용접 또는 볼트 체결될 수 있도록 상기 지지편(30)에는 고정부(31)가 형성되고, 상기 고정부(31)의 단부에는 상기 절연체(40)가 얹혀져 밀착될 수 있도록 지지부(32)가 매니폴드(20)의 개구면 방향으로 연장 형성될 수 있다.

상기 지지부(32)는 전술한 실시예와 달리 한 쪽은 상기 테두리부(22)의 바깥쪽에 형성되는 반면 다른 한 쪽은 테두리부(22)의 안쪽에 형성될 수 있다. 이는 상기 절연체(40)가 지지편(30)에 삽입되어 고정되지 않고 상기 지지편(30)의 지지부(32)에 얹혀져 지지되는 것이므로 절연체(40)의 자중 방향에 지지부(32)가 배치되도록 하기 위한 것이다.

여기서, 상기 지지편(30)의 지지부(32)가 절연체(40)에 의해 절연되지 않으므로 상기 지지부(32)는 절연재질로 된 캡(60)으로 복개하는 것이 상기 지지편(30)의 절연성을 높일 수 있어 바람직할 수 있다.

본 실시예에 의한 연료전지의 매니폴드 절연장치의 작용효과는 전술한 실시예와 대동소이하다. 다만, 본 실시예에서는 상기 절연체(40)가 지지편(30)에 삽입되지 않고 얹혀져 지지됨에 따라 상기 절연체(40)의 제작공정과 조립공정이 용이하게 될 수 있다.

10 : 스택 20 : 매니폴드
22 : 테두리부 30 : 지지편
31 : 고정부 32 : 지지부
40 : 매니폴드 절연체 41 : 절연부
42 : 결합부 43 : 결합홈
50 : 가스켓 60 : 절연캡

Claims (6)

1. 스택의 외측면에 테두리부가 결합되는 매니폴드; 및
   상기 스택과 매니폴드의 테두리부 사이에 구비되는 매니폴드 절연체;를 포함하고,
   상기 매니폴드의 테두리부에는 고정부와 지지부로 이루어진 적어도 한 개 이상의 지지편이 고정 결합되고,
   상기 매니폴드 절연체에는 상기 지지편에 삽입되어 결합되도록 결합홈이 형성되되,
   상기 지지편의 고정부는 상기 매니폴드에 결합되고, 상기 지지편의 지지부는 상기 고정부에서 연장되어 상기 매니폴드 절연체의 결합홈에 삽입되도록 형성되는 연료전지의 매니폴드 절연장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 스택의 외측면에 테두리부가 결합되는 매니폴드; 및
   상기 스택과 매니폴드의 테두리부 사이에 구비되는 매니폴드 절연체;를 포함하고,
   상기 매니폴드의 테두리부에는 고정부와 지지부로 이루어진 적어도 한 개 이상의 지지편이 고정 결합되고,
   상기 매니폴드 절연체는 상기 지지편에 얹혀져 자중방향으로 지지되되,
   상기 지지편의 고정부는 상기 매니폴드에 결합되고, 상기 지지편의 지지부는 상기 고정부에서 연장되어 상기 매니폴드 절연체에 얹히도록 형성되며, 상기 지지부에는 절연캡이 복개되도록 설치되는 연료전지의 매니폴드 절연장치.
   

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