KR101422761B1 - 연료전지 스택의 집적 구조 - Google Patents

Abstract

연료전지 스택의 집적 구조가 개시된다. 본 발명에 따른 연료전지 스택의 집적 구조는 소정의 중심축을 중심으로 방사상으로 배치되는 복수의 연료전지 스택과; 상기 복수의 연료전지 스택을 전기적으로 연결하는 도체와; 상기 연료전지 스택에 연료를 공급하는 공급 라인과; 상기 연료전지 스택으로부터의 부산물을 배출하는 배출 라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 스택의 집적 구조{Structure for integrating fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 스택의 집적 구조에 관한 것이다.

일반적으로 화학 반응을 일으킴으로써 전력을 생산하는 연료전지 스택(fuel cell stack)은 단위 셀(cell)을 복수로 적층하여 구성되는데, 각 셀은 일반적으로 연료극, 전해질 및 공기극의 각 층을 포함한다.

연료전지는 연료(LNG, LPG, 수소, 메탄올 등)와 산소의 반응을 통해 전기를 생산하고, 부산물로 물(H2O)과 열을 발생시키는 시스템으로서, 발전 효율이 높고 환경 유해 요소가 제거된 발전장치이다.

이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 여러 종류로 구분될 수 있는데, 전해질의 종류에 따라 면압(face pressure) 관리가 필요한 것도 있으며 불필요한 것도 있다.

연료전지는, 선박 등과 같이 진동 조건이 열악한 환경에서 사용하기 위해서는 보다 강건한 구조가 필요하며, 면압 관리가 필요한 연료전지 타입의 경우에는 면압이 반응 효율에 영향을 미치는 여러 인자들 중 주된 요소이므로, 적절한 면압 관리가 절실하다.

연료전지 스택의 면압 관리가 부적절하면, 연료전지의 성능이 저하되거나 가스 누설이 발생하기 쉽다. 따라서 진동 환경에 보다 강건하고, 보다 효율적으로 면압 관리를 할 수 있으며, 연료 및 공기의 출입이 보다 효율적이고, 공간을 최적화하여 사용할 수 있는 대용량의 연료전지 스택 구조가 요구되는 실정이다.

종래의 연료전지 스택은 수평 또는 수직 방향으로 일자 형태로 구성되는 경우가 많은데, 스택 끝단에 하나의 면압판을 가압하고 초기에 면압을 조정하여 고정시키는 방식으로 면압을 관리하므로, 스택 내부의 각 셀들의 면압이 불균형을 이루어 효율이 떨어지는 문제점이 있으며, 연료전지 스택이 베드(bed)에 견고하게 고정되지 못하고, 단순히 자중에 의해 얹혀져 있는 형상으로 구성된다는 한계가 있다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

한편, 한국공개특허 10-2011-0133987호에는 원통형의 하우징, 하우징의 내부에 방사형으로 배열되고, 각각 아연볼과 전해질이 수용되는 복수의 메인 반응셀 유니트를 포함하는 아연-공기 연료전지 셀 어셈블리가 개시되어 있고, 미국공개특허 US2009/0042068호에는 방사형으로 배치되는 복수의 연료전지 스택, 연료전지 스택과 열전달되도록 위치하는 ATO, 연료전지 스택 및 ATO를 지지하는 베이스, 베이스에 위치하는 열교환기를 포함하는 연료전지 스택 모듈이 개시되어 있다.

특허문헌 1 : 한국공개특허 10-2011-0133987호 특허문헌 2 : 미국공개특허 US2009/0042068호

본 발명은 선박 등의 진동 조건에서도 사용이 가능한 강건한 구조의 연료전지 스택의 집적 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 소정의 중심축을 중심으로 방사상으로 배치되는 복수의 연료전지 스택과; 상기 복수의 연료전지 스택을 전기적으로 연결하는 도체와; 상기 연료전지 스택에 연료를 공급하는 공급 라인과; 상기 연료전지 스택으로부터의 부산물을 배출하는 배출 라인을 포함하는 연료전지 스택의 집적 구조가 제공된다.

상기 연료전지 스택은 수직 방향으로 더 적층되고, 상기 도체는 상기 복수의 연료전지 스택을 수직 방향으로도 전기적으로 연결할 수 있다.

수직 방향으로 적층된 상기 연료전지 스택의 각 층마다 면압판이 설치되며, 상기 면압판은 각 층별로 상기 연료전지 스택을 가압하여 면압이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.

상기 도체는, 전체적이 전압이 높아지도록 상기 복수의 연료전지 스택을 서로 직렬로 연결할 수 있다.

상기 복수의 연료전지 스택이 외력에 의해 이탈되는 것을 방지하도록, 상기 복수의 연료전지 스택을 지지하는 브라켓 구조물을 더 포함할 수 있다.

상기 도체는 상기 브라켓 구조물에 선택적으로 결합되어, 상기 브라켓 구조물에 안치된 상기 복수의 연료전지 스택이 전기적으로 연결되도록 할 수 있다.

상기 공급 라인은 산소 공급관과 수소 공급관을 포함하고, 상기 배출 라인은 잉여 산소 배출관과, 잉여 수소 및 수증기 배출관을 포함할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지를 방사형으로 배열하여 적층함으로써 타워 형상의 연료전지 스택 집적 구조를 제작할 수 있고, 선박 등의 진동 조건에서도 구조적 강건성을 유지하여 우수한 성능을 발휘할 수 있으며, 연료전지 스택의 각 층별로 가압이 이루어지므로 단위 스택에 대한 면압을 일정하게 조절하는 것이 용이해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택 구조의 전체적인 구성을 나타낸 사시도.
도 2는 도 1의 A-A'에 대한 단면도.
도 3은 도 1의 B-B'에 대한 단면도.
도 4는 도 1의 C-C'에 대한 단면도.
도 5는 도 1의 D-D'에 대한 단면도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택 구조의 전체적인 구성을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A'에 대한 단면도이고, 도 3은 도 1의 B-B'에 대한 단면도이고, 도 4는 도 1의 C-C'에 대한 단면도이고, 도 5는 도 1의 D-D'에 대한 단면도이다. 도 1 내지 도 5를 참조하면, 연료전지 스택(100), 도체(110), 산소 공급관(120), 수소 공급관(122), 산소 배출관(130), 수소 배출관(132), 면압판(140), 브라켓 구조물(150)이 도시되어 있다.

본 실시예는, 연료전지 스택을 집적한 구조에 관한 것으로, 다단 형식으로 적층된 연료전지 스택을 원형이나 다각형 등의 방사형으로 배치하여 연결하고, 이를 다시 수직 방향으로 다층 구조로 재적층하여 대용량을 구현할 뿐만 아니라 구조적으로도 강건한 집적 구조물을 구현한 것을 특징으로 한다.

즉, 본 실시예에 따른 연료전지 스택의 집적 구조는, 소정의 중심축을 중심으로 복수의 연료전지 스택(100)이 방사상으로 배치된 것을 특징으로 한다. 복수로 집적된 연료전지 스택(100)은 도체(110)에 의해 연결되어 전체적인 전기 용량이 대용량화될 수 있다.

도 1에는 연료전지 스택(100)이 6각형으로 배치된 사례가 예시되어 있다. 도 1에 도시된 것처럼, 외곽 및 내부의 플레이트(plate) 및 각 꼭지점의 수직부재는 구조부재로서의 역할을 하며, 수직 방향의 중심부에는 각 연료전지 스택(100)이 일정한 면압을 유지하도록 하기 위한 면압판(140)이 구비될 수 있다.

전술한 것처럼, 방사상으로 배치된 복수의 연료전지 스택(100)은 다시 수직 방향으로 적층되어 집적될 수 있는데, 연료전지 스택(100)의 각 층마다 면압판(140)이 설치될 수 있는 것이다.

면압판(140)은, 각 층별로 연료전지 스택(100)을 가압하여 단위 연료전지 스택(100)마다 면압이 일정하게 유지되도록 하는 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 스택 단위로 면압을 유지하므로, 스택 내부의 각 셀들의 면압을 지속적으로 균일하게 유지할 수 있어, 연료전지의 효율이 저하되는 문제를 예방할 수 있다.

또한, 각 연료전지 스택(100)의 층 사이에는 연료(수소)와 공기(산소)가 주입되는 층이 별도로 존재하게 되며, 이때 연료와 공기는 공급 라인(외곽의 파이프(pipe) 구조물)을 통하여 공급되고, 배출 라인(내부의 덕트(duct) 및 메인 파이프(main pipe) 구조물의 매니폴더)을 통하여 배출되도록 구성될 수 있다.

도 3 및 도 4에 각각 도시된 것처럼 외곽의 파이프 구조물은 산소 공급관(120)과 수소 공급관(122)으로 구성되고, 내부의 매니폴더는 잉여 산소 배출관(130)과 잉여 수소, 수증기(부산물) 배출관(132)으로 구성될 수 있다.

각 층의 연료전지 스택(100)은 도 2에 도시된 것처럼, 서로 직렬로 연결시키기 위해 다각형 끝단끼리는 서로 도체(110)로 연결되고 각 층끼리도 직렬로 연결하기 위해 도체(110)로 연결됨으로써, 공간 대비 대용량의 '스마트 적층 연료전지(smart multilayer fuel cell)'를 구성할 수 있다.

전술한 것처럼, 연료전지 스택(100)은 수직 방향으로 더 적층되며, 적층된 복수의 연료전지 스택(100)은 도체(110)에 의해 수직 방향으로도 연결될 수 있는데, 이 경우 복수의 연료전지 스택(100)이 직렬로 연결되도록 함으로써 전체적으로 전압이 높아지도록 할 수 있는 것이다.

또한, 본 실시예에 따른 집적 구조는, 복수의 연료전지 스택(100)이 외력에 의해 이탈되지 않고 제 위치를 유지하도록 하기 위해, 브라켓 구조물(150)에 의해 복수의 연료전지 스택(100)이 지지되도록 구성할 수 있다.

즉, 도 1에 도시된 것처럼, 여러 구획으로 나누어진 브라켓 구조물(150)(하우징 구조 및 내-외측의 구조부재 포함)에 연료전지 스택(100)을 안치시키는 방식으로 집적 구조를 구성함으로써, 보다 강건한 연료전지 스택의 집적 구조를 구성할 수 있다.

이 경우, 전술한 도체(110)는 브라켓 구조물(150)에 결합될 수 있는데, 전기적으로 연결이 필요한 부분에 도체(110)를 선택적으로 결합하고 연료전지 스택(100)을 안착시킴으로써 연료전지 스택(100) 간의 전기적 연결이 구현될 수 있다.

이처럼, 브라켓 구조물(150)을 사용하여 연료전지 스택(100)을 배치함으로써 연료전지 스택 집적 구조의 전체적인 횡방향 굽힘 고유 진동수를 상승시킬 수 있으며, 이에 따라 선박 등의 설치 환경에서 외부 진동수에 대해 공진 회피 설계가 가능하게 된다.

이와 같이 강건한 구조체로서 구성된 연료전지 스택(100)을 선박의 데크(deck)의 다양한 장소에 설치하기 위해, 스택 구조의 하부에는 도 5에 도시된 것처럼 베드(bed)가 설치될 수 있다. 연료전지 스택을 설치하기 위한 베드는 전술한 다양한 설치 장소에 직접 또는 탄성 마운트(mount)를 개재하여 부착될 수 있다.

연료전지를 작동시키면, 도 3에 도시된 것처럼 외곽의 산소 공급관(120) 다발로부터 산소를 공급받아 각 층별로 화학 작용을 통해 산소 이온이 사용되고, 사용되지 않은 잉여 산소는 내부 덕트를 통해 중앙의 산소 배출관(130)으로 모이게 되어, 외부로 배출되거나 다시 재순환시켜 재사용되도록 할 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 것처럼 외곽의 수소 공급관(122) 다발로부터 연료(여기서는 일반적인 형태인 수소라 표기함)를 공급받아 각 층별로 화학 작용을 통해 물과 열, 전기를 발생시키는데, 이 때 물은 보통 열에 의해 증기상태이며, 사용되지 않은 잉여 수소와 수증기는 내부 덕트를 통해 중앙의 수소 배출관(132)으로 모이게 되어, 외부로 배출되거나 컨덴싱(condensing)을 통해 물은 분리해 내고 수소는 다시 재순환시켜 재사용되도록 할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 연료전지 스택 110 : 도체
120 : 산소 공급관 122 : 수소 공급관
130 : 산소 배출관 132 : 수소 배출관
140 : 면압판 150 : 브라켓 구조물

Claims (7)

1. 소정의 중심축을 중심으로 방사상으로 배치되는 복수의 연료전지 스택과;
   상기 복수의 연료전지 스택을 전기적으로 연결하는 도체와;
   상기 복수의 연료전지 스택 각각에 연료를 공급하는 공급 라인과;
   상기 복수의 연료전지 스택 각각으로부터의 부산물을 배출하는 배출 라인을 포함하는 연료전지 스택의 집적 구조.
2. 제1항에 있어서,
   상기 연료전지 스택은 수직 방향으로 더 적층되고, 상기 도체는 상기 복수의 연료전지 스택을 수직 방향으로도 전기적으로 연결하는 연료전지 스택의 집적 구조.
3. 제2항에 있어서,
   수직 방향으로 적층된 상기 연료전지 스택의 각 층마다 면압판이 설치되며, 상기 면압판은 각 층별로 상기 연료전지 스택을 가압하여 면압이 일정하게 유지되도록 하는 연료전지 스택의 집적 구조.
4. 제2항에 있어서,
   상기 도체는, 전체적이 전압이 높아지도록 상기 복수의 연료전지 스택을 서로 직렬로 연결하는 연료전지 스택의 집적 구조.
5. 제2항에 있어서,
   상기 복수의 연료전지 스택이 외력에 의해 이탈되는 것을 방지하도록, 상기 복수의 연료전지 스택을 지지하는 브라켓 구조물을 더 포함하는 연료전지 스택의 집적 구조.
6. 제5항에 있어서,
   상기 도체는 상기 브라켓 구조물에 선택적으로 결합되어, 상기 브라켓 구조물에 안치된 상기 복수의 연료전지 스택이 전기적으로 연결되도록 하는 연료전지 스택의 집적 구조.
7. 제1항에 있어서,
   상기 공급 라인은 산소 공급관과 수소 공급관을 포함하고, 상기 배출 라인은 잉여 산소 배출관과, 잉여 수소 및 수증기 배출관을 포함하는 연료전지 스택의 집적 구조.

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