KR102055950B1 - 연료 전지용 스택 구조물 - Google Patents

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Abstract

연료 전지용 스택 구조물은 제1 및 제2 전지 모듈들과 제1 및 제2 분리판들을 포함한다. 제1 및 제2 전지 모듈들은 각각 전해질층과 전해질층의 양면들 각각에 공기극층 및 연료극층을 포함하여 전기를 생성하는 연료 전지가 하나 또는 그 이상이 적층된다. 제1 및 제2 분리판들은 제1 및 제2 전지 모듈들 각각의 서로 마주하는 부위에서 서로 전기적으로 연결되고, 각각은 에지 부위에 공기극층 및 연료극층 각각에 산소를 포함하는 공기 및 수소를 포함하는 연료 가스를 공급하기 위한 공기홀 및 연료홀을 가지고, 적어도 하나는 공기홀 및 연료홀을 실링하는 실링부를 가지며, 적어도 하나는 실링부와 다른 부위에 다른 하나와의 전기적인 접촉을 향상시키기 위하여 돌출된 양각부를 갖는다.

Description

연료 전지용 스택 구조물{STACK STRUCTURE FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지용 스택 구조물에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 전력량을 증가시키기 위하여 적층된 다수의 연료 전지들 중에서 일부 불량인 적어도 하나의 연료 전지를 교체할 수 있는 연료 전지용 스택 구조물에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지란 전해질층 양면들 각각에 공기극층 및 연료극층을 형성하고, 이 공기극층 및 연료극층 각각에 산소를 포함하는 공기와 수소를 포함하는 연료 가스를 흘려주면 상기의 전해질층에서 이온 전도현상을 통해 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하여 전기를 생성하는 발전 장치이다.
이러한 연료 전지는 에너지 전환단계가 간단하고 원리적으로 수소를 산화시켜 에너지를 생산하는 고효율, 무공해 발전기라는 친환경적인 특성 때문에 최근 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히, 상기 연료 전지 중 고체산화물 연료 전지(SOFC)는 전해질로써 세라믹을 사용하여 약 600 내지 1000 ℃ 정도의 고온에서 작동되는 연료전지로써, 다른 용융탄산염 연료전지(MCFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자형 연료전지(PEFC) 등 여러 형태의 연료 전지들 중 가장 효율이 높고 공해가 적을 뿐 아니라, 연료 개질기를 필요로 하지 않고 복합발전이 가능하다는 여러 장점을 지니고 있다.
이러한 연료 전지의 전해질층, 공기극층 및 연료극층이 한 쌍으로 이루어진 것을 통상 단전지(single cell)라고 하며, 이 단전지가 생성하는 전기는 대략 1V 미만의 전압으로 실효성이 없기 때문에 이를 스택 구조물 형태로 다수 적층함으로써 생성되는 전압을 높이는 기술이 각광을 받고 있다.
또한, 상기의 스택 구조물은 이로부터 생성된 전력량을 더욱 증가시키기 위하여 적층된 단전지들의 개수를 점점 증가시키는 추세에 있음에 따라, 이 단전지들 중 일부에서 불량이 발생될 경우, 이 불량인 단전지만을 교체할 수 있도록 그 사이에 서로 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 분리판들이 배치되고 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 분리판들 각각에는 상기 공기극층 및 상기 연료극층에 공기 및 연료 가스를 공급하기 위한 공기홀 및 연료홀과 이들을 실링하기 위한 실링부재가 배치되어 있다.
그러나, 상기 제1 및 제2 분리판들은 상기 실링부재의 높이로 인하거나, 이들을 완전히 평면으로 가공하기 어려움으로 발생되는 미세한 요철 또는 가공 오차로 인하여 그 전기적인 접촉이 불안정할 뿐만 아니라, 이 불안정한 접촉에 의해 형성된 공간에서 접촉면이 산화됨으로써, 이들 사이의 전기 저항을 증가시키게 된다. 특히, 상기 단전지들이 고체산화물 연료 전지로 이루어질 경우 그 작동 온도가 약 600 내지 1000 ℃ 정도로 매우 고온이기 때문에, 상기 접촉면에서 산화가 더 잘 진행되어 상기의 전기 저항을 더욱 증가시킬 수 있다. 이와 같이 상기의 전기 저항이 증가하게 되면 상기 단전지들로부터 생성된 전기의 집전 효율이 떨어지는 결과가 초래될 수 있다.
본 발명의 목적은 연료 전지를 하나 또는 그 이상의 개수로 분리 가능하도록 배치된 제1 및 제2 분리판들의 전기적인 접촉을 안정하게 할 수 있는 연료 전지용 스택 구조물을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 일 특징에 따른 연료 전지용 스택 구조물은 제1 및 제2 전지 모듈들과 제1 및 제2 분리판들을 포함한다.
상기 제1 및 제2 전지 모듈들은 각각 전해질층과 상기 전해질층의 양면들 각각에 공기극층 및 연료극층을 포함하여 전기를 생성하는 연료 전지가 하나 또는 그 이상이 적층된다. 상기 제1 및 제2 분리판들은 상기 제1 및 제2 전지 모듈들 각각의 서로 마주하는 부위에서 서로 전기적으로 연결되고, 적어도 하나는 다른 하나와의 전기적인 접촉을 향상시키기 위하여 돌출된 양각부를 갖는다.
일 실시예에 따른 상기 제1 및 제2 분리판들 각각은 에지 부위에 상기 공기극층 및 상기 연료극층 각각에 산소를 포함하는 공기 및 수소를 포함하는 연료 가스를 공급하기 위한 공기홀 및 연료홀을 가지고, 적어도 하나는 상기 공기홀 및 상기 연료홀을 실링하는 실링부를 갖는다. 이럴 경우, 상기 양각부는 상기 실링부와 다른 부위에서 돌출된 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 실링부는 상기 연료홀로부터 공급되는 연료 가스가 상기 양각부로 제공되도록 일부가 개구된 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 양각부와 상기 실링부 사이에는 상기 연료홀로부터 제공되는 연료 가스가 흐르도록 유체 공간이 형성될 수 있다.
다른 실시예에 따른 상기 양각부 또는 상기 제1 및 제2 분리판들 중 상기 양각부와 마주하는 부위에는 상기 연료홀로부터 제공되는 연료 가스가 흐르는 채널이 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 양각부의 높이는 상기 실링부의 높이와 같거나 작을 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 실링부는 세라믹 물질을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 양각부에는 도전 물질을 갖는 컨택 페이스트가 도포된 도전막이 형성될 수 있다. 이럴 경우, 상기 도전 물질은 비귀금속 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 제1 및 제2 분리판들 중 적어도 하나는 제1 평판 플레이트 및 상기 제1 평판 플레이트에 접촉되어 상기 양각부 구조를 형성하는 제2 평판 플레이트를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 제2 평판 플레이트는 적어도 일면에 도전 물질을 갖는 컨택 페이스트가 도포된 도전막이 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 제2 평판 플레이트는 상기 제1 평판 플레이트에 웰딩(welding) 방식으로 접합된 구조를 가질 수 있다.
이러한 연료 전지용 스택 구조물에 따르면, 각각 연료 전지가 하나 또는 그 이상이 적층된 제1 및 제2 전지 모듈들 사이에서 이들을 분리 가능하도록 하면서 서로 전기적으로 연결시키는 제1 및 제2 분리판들 중 적어도 하나가 다른 하나를 향하여 돌출된 양각부를 가짐으로써, 상기 제1 및 제2 분리판들의 전기적인 접촉이 전체적으로 안정하게 이루어질 수 있다.
특히, 상기 제1 및 제2 분리판들 사이에 상기 연료 전지에 산소를 포함하는 공기 및 수소를 포함하는 연료 가스를 공급하기 위한 공기홀 및 연료홀을 실링하는 실링부가 배치될 경우에도, 상기 양각부에 의해서 이들의 전기적인 접촉이 안정하게 이루어질 수 있다. 이로써, 상기 제1 및 제2 분리판들 사이에서의 전기 저항을 감소시켜 상기 제1 및 제2 전지 모듈들이 적층된 연료 전지용 스택 구조물의 집전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 구조물을 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 스택 구조물의 제1 및 제2 분리판들을 나타낸 단면 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 제1 및 제2 분리판들이 서로 결합되는 상태를 구체적으로 나타낸 도면들이다.
도 4는 도 2에 도시된 제1 및 제2 분리판들 사이에서 일 실시예에 따라 연료 가스가 흐르는 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 제1 및 제2 분리판들 사이에서 다른 실시예에 따라 연료 가스가 흐르는 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지용 스택 구조물의 제1 및 제2 분리판들을 나타낸 단면 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 도 6에 도시된 제1 및 제2 분리판들이 서로 결합되는 상태를 구체적으로 나타낸 도면들이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 스택 구조물에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
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. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 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 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 구조물을 나타낸 분해 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 스택 구조물의 제1 및 제2 분리판들을 나타낸 단면 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 구조물(1000)은 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)들과 제1 및 제2 분리판(300, 400)들을 포함한다.
제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)들은 각각 전기를 생성하는 연료 전지(110)가 하나 또는 그 이상이 적층된 구조를 가지며, 상하로 배치된다. 여기서, 연료 전지(110)는 전해질층(미도시)과, 상기 전해질층의 양면들 각각에 공기극층(미도시) 및 연료극층(미도시)을 포함하여 전기를 생성한다. 구체적으로, 연료 전지(110)는 상기 공기극층 및 상기 연료극층 각각에 산소를 포함하는 공기와 수소를 포함하는 연료 가스를 흘려주면 상기 전해질층에서 이온 전도현상을 통해 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하여 전기가 생성된다. 이에, 상기 전해질층은 높은 이온 전도성, 우수한 산화-환원 분위기에서의 안정성 및 우수한 기계적 특성을 갖는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ: Yttria-Stabilized Zirconia), (La, Sr)(Ga, Mg)O3, Ba(Zr,Y)O3, GDC(Gd doped CeO2), YDC(Y2O3 doped CeO2) 등과 같은 세라믹 물질로 형성될 수 있다. 이러한 전해질층을 포함하는 연료 전지(110)를 통상적으로 고체산화물 연료 전지(SOFC)라고 명칭하며 약 600 내지 1000 ℃의 고온에서 작동되는 것이 특징이다. 또한, 상기 공기극층은 산소가 이동할 수 있도록 LSM(Lanthanum strontium manganite), LSCF(Lanthanum strontium cobalt ferrite) 등을 이용하여 다공질 구조로 형성될 수 있다. 이때, LSM(Lanthanum strontium manganite)은 란탄늄(La), 스트론튬(Sr) 및 망간(Mn)의 복합체이고, LSCF(Lanthanum strontium cobalt ferrite)는 란탄늄(La), 스트론튬(Sr), 코발트(Co) 및 철(Fe)의 복합물이다. 또한, 상기 연료극층은 수소가 이동할 수 있도록 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ: Yttria-Stabilized Zirconia)와 니켈(Ni)의 혼합물을 이용하여 다공질 구조로 형성될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)들은 각각 다수의 연료 전지(110)들 사이에서 이들로부터 높은 전압을 얻을 수 있도록 이들을 전기적으로 직렬 연결시키는 인터커넥터(120)를 포함한다. 인터커넥터(120)는 연료 전지(110)의 서로 접하는 상기 공기극층 또는 상기 연료극층과 전기적으로 연결된다.
또한, 인터커넥터(120)는 연료 전지(110)들의 상기 공기극층 또는 상기 연료극층과 마주하는 면에 공기 또는 연료 가스를 균일하게 흘려줄 수 있는 다수의 채널(122)들을 형성하기 위하여 격벽 역할을 하는 채널 형성부(124)들이 형성될 수 있다. 이때, 인터커넥터(120)의 상부면 및 하부면 각각은 연료 전지(110)들의 상기 공기극층 또는 연료극층과 전기적으로 직렬 연결되기 때문에, 상기 채널(122)들 및 채널 형성부(124)들도 인터커넥터(120)의 상부면 및 하부면에 모두 형성될 수 있다.
또한, 상기 공기 또는 연료 가스가 인터커넥터(120)의 상부면 및 하부면 각각에 독립적으로 공급하기 위하여 인터커넥터(120)의 서로 대향하는 제1 및 제2 측들에는 공기가 공급 및 배출되는 제1 공기홀(126)들이 형성되고, 상기 제1 및 제2 측들과 수직하면서 서로 대향하는 제3 및 제4 측들에는 연료 가스가 공급 및 배출되는 제1 연료홀(128)들이 형성될 수 있다.
제1 및 제2 분리판(300, 400)들 각각은 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)들이 서로 분리되거나 서로 전기적으로 연결되도록 이들이 마주하는 부위에 배치된다. 구체적으로, 제1 및 제2 분리판(300, 400)들은 서로 분리될 수 있음에 따라 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)들 중 어느 하나에 포함된 연료 전지(110)에 불량이 발생될 경우, 그 어느 하나를 분리 교체할 수 있도록 한다. 또한, 제1 및 제2 분리판(300, 400)들은 서로 전기적으로 연결될 수 있음에 따라 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)들로부터 생성된 전기를 같이 집전할 수 있게 한다.
본 실시예에서는, 두 개의 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)들이 제1 및 제2 분리판(300, 400)들에 의해 분리 또는 전기적인 연결이 가능한 것으로 설명하였지만, 그 사이에 제1 및 제2 분리판(300, 400)들만 배치시킨다면 상기의 전지 모듈들(100, 200)의 개수는 얼마든지 변경될 수 있다.
구체적으로, 제1 분리판(300)은 제1 전지 모듈(100)의 최하단에 배치된다. 이에, 제1 분리판(300)의 상부면은 연료 전지(110)와 전기적으로 연결되고, 하부면은 외부로 노출된 구조를 가지게 된다. 이럴 경우, 제1 분리판(300)의 상부면은 연료 전지(110)의 상기 공기극층 또는 연료극층에 상기 공기 또는 연료 가스를 흘려 줄 수 있도록 인터커넥터(120)의 상부면 또는 하부면과 동일한 구조를 가질 수 있다. 이와 달리, 제1 분리판(300)의 상부면과 연료 전지(110) 사이에 상기의 인터커넥터(120)를 추가로 배치하여 제1 분리판(300)의 상부면을 인터커넥터(120)와 전기적으로 연결시킬 수도 있다.
제1 분리판(300)은 약 600 내지 1000℃의 고온에서 운전되는 연료 전지(110)에 견디면서 도전성을 갖도록 SUS 재질로 이루어질 수 있다. 이럴 경우, 상기의 물질 중 피독 물질인 Cr이 산화된 CrO2막이 제1 분리판(300)의 표면에 형성됨으로써 전도성이 떨어지는 것을 방지하고자, 제1 분리판(300)의 표면에는 별도의 코팅막(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 코팅막은 일 예로, LSM(Lanthanum strontium manganite) 또는 LSCF(Lanthanum strontium cobalt ferrite)를 포함할 수 있다. 또는, 상기 코팅막은 망간(Mn), 코발트(Co), 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 아연(Zn), 주석(Sn) 또는 티타늄(Ti)으로부터 적어도 하나 또는 그 이상으로 선택된 혼합 물질로 이루어질 수 있다. 이에, 인터커넥터(120)도 제1 분리판(300)과 동일한 환경에 있으므로, 동일한 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 제1 분리판(300)은 제1 전지 모듈(100)에 포함된 연료 전지(110)의 상기 공기극층 및 상기 연료극층 각각에 상기 공기 및 상기 연료 가스를 공급하기 위하여 제1 공기홀(126)들 및 제1 연료홀(128)들과 각각 연통되는 제2 공기홀(310)들 및 제2 연료홀(320)들을 포함할 수 있다.
제2 분리판(400)은 제2 전지 모듈(200)의 최상단에 배치된다. 이에, 제2 분리판(400)의 상부면은 상기 제1 분리판(300)의 노출된 하부면에 결합되고, 그 하부면은 연료 전지(110)와 전기적으로 연결된다. 이러한 제2 분리판(400)은 그 위치가 서로 반대일 뿐, 제1 분리판(300)의 위치와 동일한 구조를 가질 수 있다. 이러한 제2 분리판(400)은 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)들로부터 생성된 전기를 하나로 통합하여 집전하기 위해 제1 분리판(300)과 직렬 형태로 전기적으로 면접촉하면서 연결된다. 이에, 제2 분리판(400)도 고온에서 견디면서 도전성을 갖도록 제1 분리판(300)과 동일한 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 제2 분리판(400)은 제2 전지 모듈(200)에 포함된 연료 전지(110)의 상기 공기극층 및 상기 연료극층 각각에 상기 공기 및 상기 연료 가스를 공급하기 위하여 제2 공기홀(310)들 및 제2 연료홀(320)들과 연통되는 제3 공기홀(410)들 및 제3 연료홀(420)들을 포함할 수 있다. 이럴 경우, 제2 분리판(400)에는 제1 분리판(300)과 면접촉할 때 제2 및 제3 공기홀(310, 410)들과 제2 및 제3 연료홀(320, 420)들을 주위로부터 실링하기 위하여 실링부(430)가 배치될 수 있다. 이에, 실링부(430)는 제2 및 제3 공기홀(310, 410)들과 제2 및 제3 연료홀(320, 420)들이 제1 공기홀(126)들과 제1 연료홀(128)들과 연통되는 위치로 인하여 제1 및 제2 분리판(300, 400)들의 에지 부위에 형성될 수 있다.
이에, 제1 분리판(300)은 실링부(430)와 다른 부위, 즉 중심 부위에 실링부(430)의 높이에 의해 제2 분리판(400)과 일부에서 면접촉되지 않는 것을 방지하고자, 제2 분리판(400)으로 돌출된 양각부(330)를 포함한다.
이하, 제2 분리판(400)의 실링부(430)와 제1 분리판(300)의 양각부(330)에 의해서 제1 및 제2 분리판(300, 400)들이 서로 면접촉하면서 결합되는 구조에 대해서 도 3a 및 도 3b를 추가적으로 참조하며 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 제1 및 제2 분리판들이 서로 결합되는 상태를 구체적으로 나타낸 도면들이다.
도 3a 및 도 3b를 추가적으로 참조하면, 제1 분리판(300)의 양각부(330) 높이(H1)는 제2 분리판(400)의 실링부(430) 높이(H1)와 실질적으로 같거나 소정의 차이로 작을 수 있다.
이러면, 제1 및 제2 분리판(300, 400)들은 그 사이의 에지 부위에서 실링부(430)에 의해 소정의 높이차(H2)가 발생되거나, 가공 도중에 미세한 요철 또는 가공 오차가 발생되어도 그 중심 부위에서 양각부(330)에 의해 서로가 전기적으로 안정하게 면접촉할 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 분리판(300, 400)들은 양각부(330)에 의해 그 사이의 전기 저항을 감소시킬 수 있으므로, 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)들에서 생성된 전기를 보다 효율적으로 집전할 수 있다. 일 예로, 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)들로부터 집전한 전력량이 제1 분리판(300)에 양각부(330)를 형성하지 않을 경우 약 900W 집전되었는데 반하여, 본 발명에서와 같이 제1 분리판(300)에 양각부(330)를 형성할 경우 약 950W 집전되어 약 5.3% 만큼 집전 효율이 향상되었음을 확인하였다.
또한, 제1 분리판(300)에 양각부(330)를 형성함에 따라 제2 분리판(400)의 실링부(430)는 탄성이 다소 떨어지지만 내열성이 우수한 세라믹 재질로 형성하여 연료 전지(110)가 작동하는 약 600 내지 1000℃의 고온에서 안정하게 견딜 수 있도록 할 수 있다. 일 예로, 실링부(430)는 MICA류 또는 Felt류로 이루어질 수 있다. 또한, 실링부(430)는 실링성이 우수한 유리 밀봉재를 사용할 수 있으며, 이럴 경우 유리의 특성 상 유동성을 가질 수밖에 없기 때문에, 이를 억제하기 위해 섬유(fiber)를 추가하여 상기의 유동성을 제어할 수 있다. 이와 같이, 실링부(430)는 제1 분리판(300)의 양각부(330)에 의해서 탄성이 작거나 아예 없더라도 연료 전지(110)가 작동하는 고온에서 견딜 수 있다면 어떠한 재질로도 이루어질 수 있다.
또한, 제1 분리판(300)의 양각부(330)에는 제2 분리판(400)과 마주하는 면에 도전 물질을 갖는 컨택 페이스트가 도포된 도전막(332)이 형성될 수 있다. 이러면, 양각부(330)의 표면이 일부 불규칙하게 형성되어 있더라도 상기 컨택 페이스트 물질이 갖는 소정의 유동성에 의해 도전막(332)이 평탄하게 형성됨으로써, 제1 및 제2 분리판(300, 400)들의 전기적인 접촉이 더욱 안정하게 이루어질 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 양각부(330)가 제1 분리판(300)에 형성되고 실링부(430)가 제2 분리판(400)에 배치된 것으로 설명하였지만, 실질적으로 제1 및 제2 분리판(300, 400)들이 서로 면접촉하면서 결합되기 때문에, 반대로 양각부(330)가 제2 분리판(400)에 형성되고, 실링부(430)가 제1 분리판(300)에 배치될 수도 있고, 양각부(330) 및 실링부(430)가 제1 및 제2 분리판(300, 400)들 중 어느 하나에 같이 형성 또는 배치될 수 있다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 제1 및 제2 분리판(300, 400)들의 전기적인 접촉을 더욱더 안정하게 할 수 있는 구조에 대해서 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 4는 도 2에 도시된 제1 및 제2 분리판들 사이에서 일 실시예에 따라 연료 가스가 흐르는 상태를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 제2 분리판(400)에 배치된 실링부(430)는 제3 연료홀(420)들 중 적어도 하나로부터 공급되는 수소를 포함하는 연료 가스를 제1 분리판(300)에 형성된 양각부(330)로 제공할 수 있도록 일부가 개구된 개구부(432)를 가질 수 있다.
이러면, 양각부(330)는 개구부(432)로부터 제공되는 연료 가스에 포함된 수소에 의해서 환원 분위기가 조성됨으로써, 양각부(330)에 도포된 도전막(도 3a의 332) 및 이와 전기적으로 접촉하는 제2 분리판(400)이 산화되는 것을 원천적으로 방지할 수 있다. 이에 따라, 도전막(도 3a의 332)과 이와 접촉하는 제2 분리판(400)에 전기 저항을 증가시킬 수 있는 산화막이 형성되지 않기 때문에, 제1 및 제2 분리판(300, 400)들의 전기적인 접촉이 더욱더 안정하게 이루어질 수 있다.
이러면, 도전막(도 3a의 332)을 형성하기 위한 컨택 페이스트에 포함된 도전 물질은 상기의 환원 분위기에 의해서 귀금속 물질이던, 비귀금속 물질이던 상관없이 모든 금속 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 금(Au), 은(Ag) 및 팔라듐(Pd)과 같은 귀금속 물질과 망간(Mn), 코발트(Co), 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 아연(Zn), 주석(Sn) 및 티타늄(Ti)과 같은 비귀금속 물질로부터 적어도 하나 또는 그 이상으로 선택된 혼합 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료 가스에 포함된 수소가 도전막(도 3a의 332)과 이와 접촉하는 제2 분리판(400)에 전체적으로 분산될 수 있도록 양각부(330)와 실링부(430) 사이에는 상기의 수소가 흐르도록 유체 공간(334)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 양각부(330)는 실링부(430)와 유체 공간(334)을 사이로 소정 이격된 구조를 가질 수 있다. 이럴 경우, 유체 공간(334)은 상기 수소가 도전막(도 3a의 332)과 이와 접촉하는 제2 분리판(400)에 전체적으로 분산될 수 있도록 양각부(330)의 가장자리에 전체적으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 실링부(430)의 개구부(432)는 제3 연료홀(420)들이 형성된 상기 제3 및 제4 측들에 모두 형성되는 것이 바람직하지만, 이들 중 어느 하나에 형성되어도 상기의 효과를 충분히 기대할 수 있다.
본 실시예에서는, 제2 분리판(400)의 제3 연료홀(420)로부터 상기 연료 가스가 실링부(430)의 개구부(432)를 통해 제공되는 것으로 설명하였지만, 실질적으로 제3 연료홀(420)들은 제1 분리판(300)의 제2 연료홀(도 2의 320)들과 연통되어 있기 때문에 상기 연료 가스가 제2 연료홀(도 2의 320)로부터 제공된다는 의미도 실질적으로 동일함을 이해할 수 있다.
또한, 도 4에는 개구부(432)가 제3 연료홀(420)들 각각과 대응하는 실링부(430)에 모두 형성된 것으로 도시하였으나, 실질적으로 연료 가스가 양각부(330)에 제공되기만 하면 되므로, 제3 연료홀(420)들 중 연료 가스를 공급하는 어느 하나에 대응되는 실링부(430)에만 형성되어도 상기의 효과를 동일하게 기대할 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 제1 및 제2 분리판들 사이에서 다른 실시예에 따라 연료 가스가 흐르는 상태를 나타낸 도면이다.
본 실시예에서는 연료 가스를 도전막과 이와 접촉하는 제2 분리판에 전체적으로 분산시키기 위한 양각부의 구조를 제외하고는 도 4에 도시된 구조와 동일하므로, 동일한 구조에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하고, 그 중복되는 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5를 참조하면, 제1 분리판(350)의 양각부(380)에는 실링부(480)의 개구부(482)로부터 제공되는 연료 가스를 흘려주기 위한 적어도 하나의 제2 채널(384)이 형성될 수 있다.
이에, 제2 채널(384)은 상기 연료 가스가 흐를 수 있도록 제3 연료홀(470)들이 형성된 상기 제2 및 제3 측들과 수직한 방향으로 형성될 수 있다. 또한, 제2 채널(384)은 상기 수직한 방향을 따라 다수가 일정한 간격으로 형성될 수 있다. 이때, 제2 채널(384)은 형성을 용이하게 위하여 도전막(도 3a의 332)을 형성할 때, 상기 컨택 페이스트를 일부만 도포하여 형성시킬 수 있다. 이와 달리, 제2 채널(384)은 양각부(330)가 아닌 제2 분리판(400)의 도전막(도 3a의 332)과 마주하여 접촉하는 부위에 형성시킬 수도 있다. 이러면, 양각부(380)는 개구부(482)로부터 제2 채널(384)로 제공되는 연료 가스에 포함된 수소에 의해서 도 4와 마찬가지로 환원 분위기가 조성됨으로써, 양각부(380)에 도포된 도전막(도 3a의 332) 및 이와 전기적으로 접촉하는 제2 분리판(450)이 산화되는 것을 원천적으로 방지할 수 있다.
이럴 경우, 제2 채널(384)이 형성된 부위는 양각부(380)의 도전막(도 3a의 332)과 제2 분리판(450)이 서로 전기적으로 접촉하지 않기 때문에, 그 개수 및 폭을 최소화하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제2 채널(384)은 실링부(480)의 개구부(482)와 인접한 위치에서는 그 폭과 개수를 좁고 적게 하면서 개구부(482)로부터 멀어질수록 그 폭과 개수를 상대적으로 넓고 많게 할 수 있다. 이는, 실링부(480)의 개구부(482)와 인접한 위치에서 제3 연료홀(470)들로부터 제공되는 연료 가스의 압력이 다른 위치보다 높기 때문이다.
다시 도 1을 참조하면, 스택 구조물은 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)들이 적층되는 최상부 및 최하부 각각에 배치되어 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)들과 제1 및 제2 분리판(300, 400)들을 외부로부터 보호하면서 전체적인 강도를 제공하는 매니폴드 형태의 상부 케이스(500) 및 하부 케이스(600)를 더 포함할 수 있다.
상부 케이스(500)에는 연료 전지(110)의 공기극층 및 연료극층 각각에 제1, 제2 및 제3 공기홀(126, 310, 410)들과 제1, 제2 및 제3 연료홀(128, 320, 420)들을 통하여 상기 공기 및 연료 가스를 공급하기 위하여 외부의 공기공급장치(미도시) 및 연료가스공급장치(미도시)와 연결되는 제1 및 제2 연결 소켓(510, 520)들이 형성될 수 있다. 이러한 제1 및 제2 연결 소켓(510, 520)들은 연료 전지(110)의 공기극층 및 연료극층 각각에 공기 또는 연료 가스를 독립적으로 공급하기 위하여 서로 수직한 측부들에 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 제1 및 제2 연결 소켓(510, 520)들이 상부 케이스(500)에 형성된 것으로 설명하였지만, 하부 케이스(600)의 동일한 위치에 형성되어 상기의 기능을 충분히 수행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지용 스택 구조물의 제1 및 제2 분리판들을 나타낸 단면 도면이며, 도 7a 및 도 7b는 도 6에 도시된 제1 및 제2 분리판들이 서로 결합되는 상태를 구체적으로 나타낸 도면들이다.
본 실시예서는, 제1 및 제2 분리판들 사이에서 양각부가 형성되는 구조를 제외하고는 도 2, 도 3a 및 도 3b에 도시된 구조와 동일하므로, 동일한 구조에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하고, 중복되는 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지용 스택 구조물(2000)의 제1 분리판(700)은 제2 공기홀(도 1의 310)들 및 제2 연료홀(712)들이 형성된 도전성을 갖는 제1 평판 플레이트(710) 및 제1 평판 플레이트(710)의 중심 부위에 접촉되어 도 2에 도시된 양각부(도 2의 330)의 기능을 수행하는 제2 평판 플레이트(720)를 포함할 수 있다.
이러면, 제2 평판 플레이트(720)에 의해서 그 에지 부위에 실링부(810)가 배치된 제2 분리판(800)과 제1 분리판(700)의 제1 평판 플레이트(710)를 서로 안정적으로 면접촉시킬 수 있음에 따라 이들 사이에서의 전기 저항을 감소시킬 수 있으므로, 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)들로부터 생성된 전기를 효율적으로 집전할 수 있다. 특히, 본 실시예는 제1 및 제2 평판 플레이트(710, 720)를 단순한 평판 구조로 제작하기 때문에, 이에 따른 스택 구조물(2000)의 전체적인 제작을 용이하게 할 수 있다는 추가적인 장점을 기대할 수 있다.
또한, 제2 평판 플레이트(720)의 제1 평판 플레이트(710) 및 제2 분리판(800)들과 마주하는 양면들 각각에는 도전 물질을 갖는 컨택 페이스트가 도포된 제1 및 제2 도전막(722, 724)들이 형성될 수 있다. 이러면, 제1 평판 플레이트(710)의 표면이 일부 불규칙하게 형성되어 있더라도 상기 컨택 페이스트 물질이 갖는 소정의 유동성에 의해 제1 및 제2 도전막(722, 724)들이 평탄하게 형성됨으로써, 제2 평판 플레이트(720)가 제1 평판 플레이트(710)에 안정적으로 접촉된 상태에서 제2 분리판(800)과 더욱 안정하게 전기적으로 접촉할 수 있다. 이때, 제1 및 제2 도전막(722, 724)들은 도 3a에 도시된 도전막(도 3a의 332)과 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다.
또한, 제2 평판 플레이트(720)는 제1 평판 플레이트(710)에 웰딩(welding) 방식으로 더욱더 안정하게 접합시켜 이들 사이의 일부에서 서로 이격됨에 따라 발생될 수 있는 전기 저항의 증가를 방지할 수 있다. 특히, 이럴 경우 제2 평판 플레이트(720)가 제1 평판 플레이트(710)에 웰딩 방식으로 매우 안정적으로 접합되어 있으므로, 제2 평판 플레이트(720)의 제1 평판 플레이트(710)와 마주하는 제1 도전막(722)은 굳이 형성하지 않아도 이들 사이에서 전기 저항의 증가를 방지할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 제1 분리판(700)이 제1 및 제2 평판 플레이트(710, 720)들을 포함하는 것으로 설명하였지만, 제2 분리판(800)이 제1 및 제2 평판 플레이트(710, 720)를 포함하여도 동일한 효과를 기대할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 스택 구조물은 전해질로써 세라믹을 사용하는 고체산화물 연료 전지(SOFC)에 적용되는 것을 설명하였지만, 전력량을 증가시키기 위해 스택 구조를 가질 수 있는 다른 용융탄산염 연료 전지(MCFC), 인산형 연료 전지(PAFC) 또는 고분자형 연료 전지(PEFC)에도 적용될 수 있음을 이해할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 연료 전지를 갖는 전지 모듈들이 적층되는 스택 구조물에 있어서, 상기 전지 모듈들 사이에서 이들을 분리 가능하도록 하면서 서로 전기적으로 연결시키는 제1 및 제2 분리판들 중 적어도 하나가 다른 하나를 향하여 돌출된 양각부를 가짐으로써, 상기 제1 및 제2 분리판들의 전기적인 접촉을 전기 저항이 낮아지도록 안정하게 하여 연료 전지용 스택 구조물의 집전 효율을 향상시키는데 이용될 수 있다.
100 : 제1 전지 모듈 110 : 연료 전지
120 : 인터커넥터 122 : 채널
124 : 채널 형성부 126 : 제1 공기홀
128 : 제1 연료홀 200 : 제2 전지 모듈
300, 350, 700 : 제1 분리판 310 : 제2 공기홀
320, 712 : 제2 연료홀 330, 380 : 양각부
332 : 도전막 334 : 유체 공간
384 : 제2 채널 400, 450, 800 : 제2 분리판
410 : 제3 공기홀 420, 470 : 제3 연료홀
430, 480, 810 : 실링부 432, 482 : 개구부
500 : 상부 케이스 600 : 하부 케이스
710 : 제1 평판 플레이트 720 : 제2 평판 플레이트
722 : 제1 도전막 724 : 제2 도전막
1000, 2000 : 연료 전지용 스택 구조물

Claims (12)

  1. 각각 전해질층과 상기 전해질층의 양면들 각각에 공기극층 및 연료극층을 포함하여 전기를 생성하는 연료 전지가 하나 또는 그 이상이 적층된 제1 및 제2 전지 모듈들;
    상기 제1 전지 모듈의 연료극층과 상기 제2 전지 모듈의 공기극층 사이에 배치되고, 상기 제1 전지 모듈의 연료극층과 전기적으로 연결되며, 에지 부위에 상기 공기극층에 공급되는 공기가 이동하는 제1 공기홀 및 상기 연료극층에 공급되는 수소를 포함하는 연료 가스가 이동하는 제1 연료홀이 형성된 제1 분리판;
    상기 제1 분리판과 상기 제2 전지 모듈의 공기극층 사이에 배치되고, 상기 제2 전지 모듈의 공기극층 및 상기 제1 분리판과 전기적으로 연결되며, 상기 제1 공기홀과 연통하는 제2 공기홀 및 상기 제1 연료홀과 연통하는 제2 연료홀이 형성된 제2 분리판; 및
    상기 제1 분리판과 상기 제2 분리판 사이에 배치되고, 상기 제1 및 제2 공기홀들과 상기 제1 및 제2 연료홀들을 실링하는 실링부를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 분리판 중 하나는 돌출되어 다른 하나와 접촉하는 양각부를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 연료홀들 각각은 서로 이격된 연료 주입홀 및 연료 배출홀을 구비하고,
    상기 실링부는 상기 연료주입홀과 연통하는 제1 공간을 형성하는 제1 부분, 상기 연료 배출홀과 연통하는 제2 공간을 형성하는 제2 부분 및 상기 양각부를 수용하는 제3 공간을 형성하는 제3 부분을 포함하며,
    상기 실링부는 상기 제1 및 제2 공간 중 하나만이 상기 제3 공간과 연통시키도록 일부가 개구된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 스택 구조물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 양각부와 상기 실링부 사이에는 상기 연료홀로부터 제공되는 연료 가스가 흐르도록 유체 공간이 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 구조물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 양각부 또는 상기 제1 및 제2 분리판들 중 상기 양각부와 마주하는 부위에는 상기 연료홀로부터 제공되는 연료 가스가 흐르는 채널이 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 구조물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 양각부의 높이는 상기 실링부의 높이와 같거나 작은 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 구조물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 실링부는 세라믹 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 구조물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 양각부에는 도전 물질을 갖는 컨택 페이스트가 도포된 도전막이 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 구조물.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 분리판들 중 적어도 하나는
    제1 평판 플레이트; 및
    상기 제1 평판 플레이트에 접촉되어, 상기 양각부 구조를 형성하는 제2 평판 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 구조물.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 평판 플레이트는 적어도 일면에 도전 물질을 갖는 컨택 페이스트가 도포된 도전막이 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 구조물.
  11. 제10항에 있어서, 상기 도전 물질은 비귀금속 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 구조물.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제2 평판 플레이트는 상기 제1 평판 플레이트에 웰딩(welding) 방식으로 접합된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 구조물.
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