KR101740252B1 - 연료전지 스택에 형성된 매니폴드 절연체 가이드 핀에 의한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조 - Google Patents

연료전지 스택에 형성된 매니폴드 절연체 가이드 핀에 의한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 형성된 매니폴드 절연체 가이드 핀에 의한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융탄산염형 연료전지의 스택 및 매니폴드가 절연 결합된 상태에서 열 팽창 수축을 동반할 때, 스택 및 매니폴드 절연 결합이 뒤틀리거나 매니포드의 절연체가 외곽으로 벗어나 위치 이탈되어 작동 가스가 누출되는 것을 방지하기 위하여 매니폴드 및 절연체가 일정방향으로 슬라이딩 움직이도록 가이드하는 가이드 핀을 연료전지 스택에 형성하여 결합한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조에 관한 것이다.

Description

연료전지 스택에 형성된 매니폴드 절연체 가이드 핀에 의한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조{MOLTEN CARBONATE FUEL CELL STACK AND MANIFOLD COMBINED STRUCTURE BY MANIFOLD INSULATION SEALING GUIDE PIN FORMED ON FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료전지 스택에 형성된 매니폴드 절연체 가이드 핀에 의한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융탄산염형 연료전지의 스택 및 매니폴드가 절연 결합된 상태에서 열 팽창 수축을 동반할 때, 스택 및 매니폴드 절연 결합이 뒤틀리거나 매니포드의 절연체가 외곽으로 벗어나 위치 이탈되어 작동 가스가 누출되는 것을 방지하기 위하여 매니폴드 및 절연체가 일정방향으로 슬라이딩 움직이도록 가이드하는 가이드 핀을 연료전지 스택에 형성하여 결합한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 연료(수소 또는 메탄올)와 산화제(산소 또는 공기)를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 얻을 수 있게 하는 새로운 발전시스템으로서, 연료와 산화제가 외부로부터 연속적으로 공급되기 때문에 발전이 지속적으로 이루어지는 장치이다.
연료전지 종류에는 고온(650℃)에서 작동하는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbon Fuel Cell, MCFC)와 180~200℃ 정도에서 작동하는 인산 전해질형 연료전지, 80~100℃ 에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지와 고분자 전해질형 연료전지 등이 있으며, 이 중 고분자 전해질형 연료전지는 다시 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell; PEMFC), 액상의 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell; DMFC) 등으로 구분된다.
이러한 연료전지 중에서 용융탄산염 연료전지는 다른 종류의 연료전지와 비교하여 작동온도가 650℃의 고온에서 운전되기 때문에 인산형 또는 고분자 연료전지와 같은 저온형 연료전지에서 기대할 수 없는 높은 열효율과 환경친화적인 장점들을 갖고 있다.
또한, 설치공간이 작게 소요되고 스택 모듈화 특성 때문에 쉽게 scale-up이 가능하여 분산형 발전에 적용이 가능한 장점이 있을 뿐만 아니라, 고온에서의 빠른 전기화학반응으로 인하여 전극재료를 백금 대신 저렴한 니켈의 소재를 사용하여 가격 경쟁력이 높고, 백금전극에 피독물질로 작용하는 일산화탄소마저 연료로 이용하는 니켈전극의 특성에 따라서 석탄가스, 천연가스, 메탄올, 바이오매스와 같은 다양한 연료 선택성을 장점으로 하고 있다.
그리고 HRSG(Heat Recovery Steam Generator) 등을 이용한 바터밍 사이클(bottoming cycle)로 양질의 고온 폐열을 회수가 가능하여, 전체 발전 시스템의 열효율을 약 80% 이상으로 상승시킬 수 있다.
또한, 용융탄산염 연료전지의 고온운전 특성은 연료전지 스택 내부에서 전기화학반응과 연료개질반응을 동시에 진행시키는, 즉, 내부개질형 용융탄산염 연료전지는 연료전지 스택 내부에서 연료 개질반응과 전기화학반응을 동시에 진행시키기 때문에 개질률을 99% 이상으로 올릴수 있으므로 효율이 높은 장점이 있으며, 전기화학반응의 발열량을 별도의 외부 열교환기없이 직접 흡열반응인 개질반응에 이용하므로, 외부 개질형 용융탄산염 연료전지보다 전체 시스템의 열효율이 높은 동시에 시스템 구성이 간단해지는 특성을 갖는다.
한편, 연료전지에 있어서, 단일 전지를 관통하여 연료가스 및 산화제가스를 각각의 단일전지에 공급 및 배출하도록 형성된 관통구멍을 매니폴드(manifold)라고 부르며, 이러한 매니폴드의 종류에는 각각의 세퍼레이터에 천공한 관통구멍을 스택의 적층방향으로 연속으로 형성한 일련의 관통 구멍을 매니폴드로 하는 내부 매니폴드 형태와, 가스유로에 가스를 공급하기 위하여 외부에서 공급되는 가스가 흐르는 배관을 세퍼레이터의 수에 대응하는 수로 분기시키고, 그 분기 끝이 직접 세퍼레이터의 홈에 연결되는 형태의 외부 매니폴드 형태가 있다.
이러한 외부 매니폴드형 용융탄산염 연료전지는 상기된 바와 같이 650℃ 이상에서 운전되며, 스택 모듈을 구성하고 있는 스택 셀(Stack Cell)과 매니폴드는 그 사이로 작동 가스의 누출이 방지되도록 설치되어야 한다.
또한, 단위 전지 셀의 전압은 정격 방전시에 약 0.8~1.2V로 낮기 때문에, 실제 발전에서는 기본 구성인 단위 전지 셀을 다수 적층하여 전압을 높이고, 셀 면적을 확장시켜 고출력화를 달성하게 되는데, 이렇게 단위 전지 셀을 여러 단 적층한 것을 스택(stack)이라 한다.
이러한 스택은 용융탄산염형 연료전지의 발전효율과 수명 및 성능을 결정하기 때문에 스택으로 연료를 공급하는 매니폴드를 구성하는 절연체는 기밀을 유지해야 함은 물론, 단위 셀간의 절연을 유지하여야 하기 때문에 절연체의 구조가 중요하다.
종래 기술들에 있어서, 절연체의 구조에 대한 개선이 어느 정도 이루어졌지만, 절연체들끼리 맞닿는 면에서 완전한 기밀을 유지하기 어렵기 때문에 전체적인 효율이 떨어진다는 문제점이 있었다.
또한, 절연체는 용융탄산염 연료전지의 특성상 작동온도가 650℃ 정도의 고온이기 때문에 세라믹 등의 절연물질로 제작되어야 하며, 이런 경우, 절연체와 금속으로 이루어진 매니폴드와 스택 간의 열팽창에 의한 상대적인 움직임이 발생할 수 있게 되는데, 이와 같은 상대적인 움직임이 발생하더라도 내부 가스의 누설을 최소화하는 설계가 요구된다.
종래 기술로서, 연료전지와 스택간의 결합 및 밀봉에 관한 기술을 살펴 보면, 한국등록특허 10-0668199에는 하부 엔드판(6)에 지지된 상태에서 스택 셀(1)과의 사이를 밀봉하기 위한 가스킷과 전기 절연을 위하여 제공되는 절연 세라믹 상에 밀착되는 플랜지를 가지는 입출구 매니폴드(2)와; 상기 플랜지를 가압하도록 상기 입출구 매니폴드의 외측으로부터 배치되며, 상이한 열팽창계수를 가지는 내부 및 외부 빔으로 만들어지고, 모서리 부분에 받침대(6)가 제공되는 밀착 체결용 빔(8)과; 상기 입출구 매니폴드의 플랜지가 상기 절연 세라믹 상에 밀착되도록 상기 밀착 체결용 빔의 받침대에 감겨지는 체결용 와이어(5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지 스택 모듈의 설치 구조가 공지되어 있다.
또한, 한국등록특허 10-1205618에 제1 및 제2의 대향 하는 외부 표면을 가지며 매니폴더를 연료 전지 스택에 밀봉하는 가스킷과 상기 제1 및 제2의 외부 표면의 적어도 하나의 적어도 일부분에 놓여져 미끄러짐을 촉진하는 소재 층을 포함하는 것으로 구성되는 조립체로서; 상기 가스킷은 섬유 모양의 세라믹 층을 포함하고 상기 소재는 세라믹 클로스를 포함하고, 상기 가스킷은 연료 전지 스택 면과 매니폴더와 스택 면 사이에 놓이는 유전성 절연기 사이에 놓이도록 적용되고; 상기 스택 면은 연료 전지 스택의 단부 평판의 단부 면의 부분에 의해 형성되는 마주보는 제1 및 제2 주변부분과 연료 전지 스택의 연료 전지에서 양극의 분리 평판의 단부 면의 부분에 의해 형성되는 마주보는 제3 및 제4주변 부분을 포함하고; 상기 유전성 절연기는 상기 스택 면의 상기 제1 및 제2 주변 부분에 인접하여 놓이도록 적용되는 마주보는 제1및 제2 프레임(frame) 부분과 상기 스택 면의 상기 제3 및 제4 주변 부분에 인접하여 놓이도록 적용되는 마주보는 제3 및 제4의 프레임 부분을 포함하고; 상기 가스킷의 상기 제1 외부 표면은 상기 유전성 절연기의 상기 프레임 부분에 직면하도록 적용되고 상기 가스킷의 상기 제2 외부 표면은 상기 스택 면의 상기 주변 부분에 직면하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 미세한 움직임을 수용하는 매니폴드 가스킷 조립체가 공지되어 있다.
또한, 한국등록특허 10-1360105에 연료극과 공기극을 갖는 다수 개의 단위셀(unit cell)이 높이방향을 따라 적층되고, 상기 연료극의 입구와 출구가 제1 방향 양측에, 공기극의 입구와 출구가 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향 양측에 각각 형성되는 스택; 상기 스택의 상하 양단에 각각 구비되는 상부 엔드플레이트 및 하부 엔드플레이트; 상기 스택으로 공급되는 연료와 공기를 각각의 단위셀로 분배하도록 상기 스택의 측면에 밀착되어 결합되는 복수 개의 매니폴드; 상기 매니폴드를 상기 상부 엔드플레이트와 하측 플레이트에 각각 밀착시키는 제1 결합유닛; 및 상기 매니폴드를 상기 스택에 밀착시키는 제2 결합유닛;을 포함하고, 상기 제1 결합유닛은 상기 매니폴드로부터 착탈 가능한 복수 개의 프레임이 조임부재에 의해 서로 결합되며, 상기 제2 결합유닛은 상기 매니폴드에 고정된 복수 개의 프레임이 조임부재에 의해 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 체결장치가 구비된 연료전지가 공지되어 있다.
또한, 한국등록특허 10-0988108에 연료전지 스택의 4면에 설치되는 4개의 매니폴드에 각각 설치되는 4개의 선형 체결 가이드; 상기 체결 가이드에 미끄럼 결합되는 가이드 홈을 구비하고, 각각의 일 측 단부에 연결 홀이 형성된 4개의 체결빔; 상기 체결빔의 연결 홀에 삽입된 상태로 이웃하는 다른 체결빔의 타 측 단부에 연결되는 4개의 연결막대; 상기 체결 빔의 연결 홀에 삽입된 상기 연결막대의 단부에 설치되어 상기 체결 빔에 대해 상기 연결막대를 지지하며 체결력을 제공하고 유지함에 의해 상기 체결빔을 상기 매니폴드로 가압하는 4개의 체결 스프링; 및 상기 연결막대의 단부에 구비되어 상기 체결 스프링을 상기 연결막대에 구속시키는 4개의 체결볼트를 포함하고, 상기 4개의 체결빔 각각의 가이드 홈이 상기 각 체결 가이드에 삽입된 상태에서 상기 각각의 체결 빔의 타 측단부에 연결된 연결막대가 이웃한 다른 체결빔의 일 측 단부에 형성된 연결홀에 끼워져 상기 스택의 4면을 둘러싸는 구조를 제공하며, 상기 스택의 4면을 둘러싼 상기 4개의 체결 빔이 서로 맞물려 연결되어 상기 각 매니폴드의 위치를 상기 스택에 서 벗어나지 않도록 유지할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 외부 매니폴드 체결장치가 공지된 바 있다.
또한, 한국공개특허 10-2011-0075862에 서로 접촉한 상태에서 미끄러지게 결합 된 블록들을 포함하는 절연체 및 상기 절연체를 구비하는 용융탄산염 연료전지에서, 용융탄산염 연료전지가 650℃ 이상의 고온에서 작동되어, 스택과 매니폴더가 팽창, 수축, 뒤틀어지더라도, 절연체는 제 위치를 벗어나지 않고, 절연체와 가스켓 사이에 틈이 생겨 그 틈을 통해 가스가 새는 것을 방지할 수 있도록 제1결합돌기가 구비된 제1블록들과 제2결합돌기가 구비된 제2블록들을 포함하며, 상기 제1결합돌기들은 서로 접촉한 상태에서 미끄러지고, 상기 제1결합돌기와 제2결합돌기는 서로 접촉한 상태에서 미끄러지는 절연체가 공지되어 있다.
또한, 한국등록특허 10-1401450에는 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 형성된 연료전지의 매니폴드 절연장치가 공지되어 있다.
또한, 한국등록특허 10-1172280에 제1 막대부와 제3 막대부의 가로측 막대부(110a)와 제2막대부와 제4막대부의 세로측 막대부(110b)로 일체로 이루어지고, 스택(140)과 매니폴드(150)에 각각 접촉되며, 상기 매니폴드(150)의 내부의 가스 누설을 방지하는 절연 재료로 이루어진 매니폴드 절연체(110); 상기 가로측 막대부(110a)를 따라 상기 매니폴드(150)에 내측 삽입홈(153)과 외측 삽입홈(154)이 한 쌍으로 형성된 복수의 제1 삽입홈(H1); 상기 세로측 막대부(110b)를 따라 상기 매니폴드(150)에 형성된 복수의 제2 삽입홈(H2); 상기 제1, 제2 삽입홈(H1, H2)에 일측이 각각 삽입되고 타측은 상기 가로측 막대부(110a)와 상기 세로측 막대부(110b)의 측면에 닿도록 배치되며 세라믹 재질로 제공되는 복수의 지지부재(121); 및 상기 복수의 지지부재(121)와 상기 가로측 막대부(110a) 또는 상기 세로측 막대부(110b)의 사이에 배치되어 확장되는 방향으로 복원력을 작용하여 상기 가로측 막대부(110a)와 상기 세로측 막대부(110b)를 고정하도록 하는 복수의 스프링(122);를 포함하는 연료 전지의 매니폴드 절연장치가 공지되어 있다.
그러나, 종래 기술들은 스택과 매니폴드를 견고하게 밀봉되도록 체결하는 장치 및 구조에 관한 것이거나, 또는 열팽창 수축 등으로 절연체가 변형되거나 스택면에서 어느정도 미끄러지도록 하여 밀봉되도록 하는 것으로서 이러한 기술들은 여전히 종래의 문제점인 스택 및 매니폴드가 열팽창 수축으로 뒤틀어져 절연체가 스택 표면으로부터 이탈되어 밀봉되지 않고 작동가스가 누출되는 등의 근본적인 문제점을 해결하는 것은 불가능하였다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 용융탄산염형 연료전지의 스택 및 매니폴드가 절연 결합된 상태에서 열 팽창 수축을 동반할 때, 스택 및 매니폴드 절연 결합이 뒤틀리거나 매니포드의 절연체가 외곽으로 벗어나 위치 이탈되어 작동 가스가 누출되는 것을 방지하기 위하여 매니폴드 및 절연체가 일정방향으로 슬라이딩 움직이도록 가이드하는 가이드 핀을 연료전지 스택에 형성하여 결합한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명은 상기 해결하고자 하는 과제의 해결을 위하여, 상부 엔드플레이트와 하부 엔드플레이트 사이에 연료극과 공기극을 갖는 다수 개의 단위셀(unit cell)이 수직 적층되고, 상기 수직 적층된 양측 가장자리 수직면과 상부 엔드플레이트 및 하부 엔드플레이트의 수직면에 각각 매니폴드 플랜지부의 절연체가 절연 결합되는 결합면이 형성되는 스택과; 상기 스택으로 공급되는 연료와 공기를 각각의 단위셀로 분배하도록 상기 스택의 결합면에 매니폴드 플랜지부의 절연체가 절연결합되는 매니폴드;를 포함하여 구성되는 용융탄산염 연료전지의 스택 및 매니폴드에 있어서, 상기 스택의 수직 적층된 양측 가장자리 수직면에는 수직가이드핀이 형성되고, 상기 상부 엔드플레이트의 수직면 중앙부에는 수평가이드핀이 형성되며, 상기 매니폴드 플랜지부의 수직방향 절연체가 상기 수직가이드핀 내측으로 간격을 두고 결합되고, 상기 매니폴드 플랜지부의 상부 수평방향 절연체가 상기 수평가이드핀 상측으로 간격을 두고 결합되어 상기 절연체가 수평방향 외곽으로 벗어나지 않고 수직방향으로 슬라이딩 움직일 수 있도록 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택에 형성된 매니폴드 절연체 가이드 핀에 의한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조를 과제의 해결수단으로 한다.
상기 수직가이드핀 및 수평가이드핀은 각각 상기 스택의 양측 가장자리 수직면 및 상부 엔드플레이트의 수직면 중앙부에 구멍 또는 홈을 형성하여 고정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택에 형성된 매니폴드 절연체 가이드 핀에 의한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조를 과제의 해결수단으로 한다.
상기 수직가이드핀 및 수평가이드핀은 상기 매니폴드 플랜지부의 절연체와 5~10mm의 간격을 두고 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택에 형성된 매니폴드 절연체 가이드 핀에 의한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조를 과제의 해결수단으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 스택에 형성된 매니폴드 절연체 가이드 핀에 의한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조는 용융탄산염형 연료전지의 스택 및 매니폴드가 절연 결합된 상태에서 열 팽창 수축을 동반할 때, 스택 및 매니폴드 절연 결합이 뒤틀리거나 매니포드의 절연체가 외곽으로 벗어나 위치 이탈되어 작동 가스가 누출되는 것을 방지하기 위하여 매니폴드 및 절연체가 일정방향으로 슬라이딩 움직이도록 가이드하는 가이드 핀을 연료전지 스택에 형성함으로써, 연료전지의 스택 및 매니폴드 결합을 잘 유지시켜 연료전지의 효율 및 수명향상과 유지관리측면에서 획기적인 효과가 있다.
도 1은 일반적인 용융탄산염 연료 전지의 스택 모듈 조립 사시도
도 2는 본 발명의 용융탄산염 연료전지 스택의 가이드핀 구성 사시도
도 3은 본 발명의 용융탄산염 연료전지 매니폴드 내부를 나타낸 사시도
도 4는 본 발명의 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드 결합사시도
본 발명은, 상부 엔드플레이트와 하부 엔드플레이트 사이에 연료극과 공기극을 갖는 다수 개의 단위셀(unit cell)이 수직 적층되고, 상기 수직 적층된 양측 가장자리 수직면과 상부 엔드플레이트 및 하부 엔드플레이트의 수직면에 각각 매니폴드 플랜지부의 절연체가 절연 결합되는 결합면이 형성되는 스택과; 상기 스택으로 공급되는 연료와 공기를 각각의 단위셀로 분배하도록 상기 스택의 결합면에 매니폴드 플랜지부의 절연체가 절연결합되는 매니폴드;를 포함하여 구성되는 용융탄산염 연료전지의 스택 및 매니폴드에 있어서, 상기 스택의 수직 적층된 양측 가장자리 수직면에는 수직가이드핀이 형성되고, 상기 상부 엔드플레이트의 수직면 중앙부에는 수평가이드핀이 형성되며, 상기 매니폴드 플랜지부의 수직방향 절연체가 상기 수직가이드핀 내측으로 간격을 두고 결합되고, 상기 매니폴드 플랜지부의 상부 수평방향 절연체가 상기 수평가이드핀 상측으로 간격을 두고 결합되어 상기 절연체가 수평방향 외곽으로 벗어나지 않고 수직방향으로 슬라이딩 움직일 수 있도록 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택에 형성된 매니폴드 절연체 가이드 핀에 의한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조를 기술구성의 특징으로 한다.
상기 수직가이드핀 및 수평가이드핀은 각각 상기 스택의 양측 가장자리 수직면 및 상부 엔드플레이트의 수직면 중앙부에 구멍 또는 홈을 형성하여 고정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택에 형성된 매니폴드 절연체 가이드 핀에 의한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조를 기술구성의 특징으로 한다.
상기 수직가이드핀 및 수평가이드핀은 상기 매니폴드 플랜지부의 절연체와 5~10mm의 간격을 두고 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택에 형성된 매니폴드 절연체 가이드 핀에 의한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조를 기술구성의 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 도면을 통하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 도면에 한정되지 않는다.
먼저, 일반적으로 용융탄삼염 연료전지의 스택 및 매니폴드의 결합 구조를 살펴 보면, [도 1]에 도시한 바와 같이, 연료 전지는 하부 엔드플레이트(130)위로 연료극과 공기극을 갖는 다수 개의 단위셀(unit cell)(C)이 수직 적층되고, 상기 다수 개의 단위셀(unit cell)(C)들 위에 상부 엔드플레이트(135)가 결합되는데, 이를 스택(140)이라 한다.
상기 스택(140)의 측면으로 스택(140)의 연료극과 공기극의 입구 및 출구를 형성하는 매니폴드(150)가 결합되며, 상기 스택(140)과 매니폴드(150)사이에는 기밀을 유지할 뿐만 아니라 전기적인 절연을 유지하도록 절연체가 결합되며, 상기 스택(140)과 매니폴드(150)는 별도의 체결 장치(미도시)에 의해 체결된다.
상기 매니폴드(150)는 [도 1] 및 [도 3]을 참조하면, 한쪽이 개구된 내부 공간을 형성하는 하우징부(151)와, 상기 하우징부(151)의 개구측 사방으로 플랜지부(152)가 형성되며, 상기 플래지부(152)는 설정된 폭을 갖는 사각(사각틀) 형태를 이루며 그 사각 형태를 이루는 면은 평면으로, 여기에는 스택면과 절연밀봉결합되는 절연체(110)가 설치되며, 상기 절연체(110)는 상기 스택(140)과 매니폴드(150)에 각각 접촉되어 스택(140)과 매니폴드(150)를 절연시키고, 아울러, 상기 매니폴드(150)의 내부로 유동하는 가스가 외부로 누설되는 것을 방지한다.
그러나, 이러한 일반적인 스택 및 매니폴드의 결합은 연료전지 스택의 운전 시에 열구배 변화에 따라 스택의 Bowing 효과가 발생하고, 스택의 상부 엔드플레이드는 스택의 자유 팽창 수축을 위하여 반구속 상태로 수평적 팽창이 허용된 상태로 위치한다. 그러나 수평적 팽창을 허용한 상태로 위치한 상부 엔드플레이드는 스택의 Bowing시 비틀림에 의한 이격을 발생시켜 기체 밀봉 장치의 결합위치가 이탈하는 현상이 종종 발생한다.
즉, 용융탄산염 연료전지는 연료전지 스택의 온도가 항상 650℃ 로 운전하는 것이 아니라 정비 및 보수를 위하여 상온으로 낮추었다가 다시 고온으로 승온을 시키고 있으므로 열수축과 팽창이 반복적으로 일어나면서 스택과 매니폴드의 이탈 또는 움직임 등으로 스택 및 매니폴드의 기밀이 유지되지 않고 개스가 새는 경우가 발생하는 문제점이 있었다.
이에 따라 상기 문제점을 해결하고자, 열수축과 팽창이 반복적으로 일어날 때, 스택 및 매니폴드의 움직이는 방향을 고려하여 스택 및 매니폴드의 움직임을 일정방향으로 억제하여 스택 및 매니폴드의 결합변형 및 파손을 방지하도록 스택 및 매니폴드의 결합을 가이드할 수 있는 가이드핀을 스택에 설치하여 본 발명의 연료전지 스택에 형성된 매니폴드 절연체 가이드 핀에 의한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조를 완성하였다.
보다 구체적으로, [도 2] 내지 [도 4]를 참조하여 설명하면, 본 발명의 연료전지 스택(140)에 형성된 매니폴드 절연체 가이드 핀(201, 202)에 의한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조는 상부 엔드플레이트(135)와 하부 엔드플레이트(130) 사이에 연료극과 공기극을 갖는 다수 개의 단위셀(unit cell)이 수직 적층되고, 상기 수직 적층된 양측 가장자리 수직면(137)과 상부 엔드플레이트(135)와 하부 엔드플레이트(130)의 수직면(136)에 각각 매니폴드 플랜지부(152)의 절연체(110)가 절연 결합되는 결합면이 형성되는 스택(140)과; 상기 스택으로 공급되는 연료와 공기를 각각의 단위셀로 분배하도록 상기 스택의 결합면에 매니폴드 플랜지부(152)의 절연체(110)가 절연결합되는 매니폴드(150);를 포함하여 구성되는 용융탄산염 연료전지의 스택 및 매니폴드에 있어서, 상기 스택의 수직 적층된 양측 가장자리 수직면(137)에는 수직가이드핀(201)이 형성되고, 상기 상부 엔드플레이트의 수직면(136) 중앙부에는 수평가이드핀(202)이 형성되며, 상기 매니폴드 플랜지부(152)의 수직방향 절연체(110)가 상기 수직가이드핀(201) 내측으로 간격을 두고 결합되고, 상기 매니폴드 플랜지부(152)의 상부 수평방향 절연체(110)가 상기 수평가이드핀(202) 상측으로 간격을 두고 결합되어 상기 절연체(110)가 외곽으로 벗어나지 않고 수직방향으로 슬라이딩 움직일 수 있도록 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수직가이드핀(201) 및 수평가이드핀(202)은 각각 상기 스택의 양측 가장자리 수직면(137) 및 상부 엔드플레이트의 수직면(136) 중앙부에 구멍 또는 홈을 형성하여 고정할 수 있다.
또한, 상기 수직가이드핀(201) 및 수평가이드핀(202)은 상기 매니폴드 플랜지부(152)의 절연체(110)와 5~10mm의 간격을 두고 설치되는 것이 스택 및 매니폴드의 움직임 제어를 위하여 바람직하다.
이상과 같이, 본 발명의 수직가이드핀(201) 및 수평가이드핀(202)은이 형성된 용융탄산염 연료전지 스택(140) 및 매니폴드(150)는 가이드핀에 의하여 스택 및 매니폴드가 열수축 및 팽창이 반복적으로 일어나더라도 수평방향 외곽으로 이탈되는 것을 방지할 수 있고 수직방향으로 슬라이딩 움직임이 허용되어 그 결합구조를 유지할 수 있으므로 연료전지 스택과 매니폴드가 기밀을 유지할 수 있게 되므로 연료전지의 전체 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 절연체 130 : 하부 엔드플레이트
135 : 상부 엔드플레이트 140 : 스택
150 : 매니폴드 151 : 하우징
152 : 플랜지부 201 : 수직가이드핀
202 : 수평가이드핀

Claims (3)

  1. 상부 엔드플레이트와 하부 엔드플레이트 사이에 연료극과 공기극을 갖는 다수 개의 단위셀(unit cell)이 수직 적층되고, 상기 수직 적층된 양측 가장자리 수직면과 상부 엔드플레이트 및 하부 엔드플레이트의 수직면에 각각 매니폴드 플랜지부의 절연체가 절연 결합되는 결합면이 형성되는 스택과; 상기 스택으로 공급되는 연료와 공기를 각각의 단위셀로 분배하도록 상기 스택의 결합면에 매니폴드 플랜지부의 절연체가 절연결합되는 매니폴드;를 포함하여 구성되는 용융탄산염 연료전지의 스택 및 매니폴드에 있어서,
    상기 스택의 수직 적층된 양측 가장자리 수직면에는 수직가이드핀이 형성되고, 상기 상부 엔드플레이트의 수직면 중앙부에는 수평가이드핀이 형성되며, 상기 매니폴드 플랜지부의 수직방향 절연체가 상기 수직가이드핀 내측으로 간격을 두고 결합되고, 상기 매니폴드 플랜지부의 상부 수평방향 절연체가 상기 수평가이드핀 상측으로 간격을 두고 결합되어 상기 절연체가 수평방향 외곽으로 벗어나지 않고 수직방향으로 슬라이딩 움직일 수 있도록 결합되되,
    상기 수직가이드핀 및 수평가이드핀은 각각 상기 스택의 양측 가장자리 수직면 및 상부 엔드플레이트의 수직면 중앙부에 구멍 또는 홈을 형성하여 고정되고,
    상기 수직가이드핀 및 수평가이드핀은 상기 매니폴드 플랜지부의 절연체와 5~10mm의 간격을 두고 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택에 형성된 매니폴드 절연체 가이드 핀에 의한 용융탄산염 연료전지 스택 및 매니폴드의 결합구조
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