KR102145304B1 - 고체산화물 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

고체산화물 연료전지 스택이 개시된다. 고체산화물 연료전지 스택은 단전지, 단전지의 가장자리 부분을 지지하는 셀프레임, 셀프레임의 하부에 배치된 연결재, 셀프레임과 연결재 사이에 배치된 밀봉 부재 및 셀프레임과 연결재 사이의 간격을 균일하게 유지시키는 스페이서 부재를 포함한다. 스페이서 부재는 셀프레임과 연결재 사이의 영역 중 밀봉 부재에 의해 밀봉되지 않은 영역에 배치되고, 마이카(Mica) 또는 절연 세라믹으로 형성된다.

Description

고체산화물 연료전지 스택{SOLID OXIDE FUEL CELL STACK}
본 발명은 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것으로서, 전기화학반응을 통하여 원료의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 전기화학반응을 통하여 원료의 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키는 장치로서 일반적인 열기관에 비해 에너지 효율이 현저하게 높고 오염 물질의 배출이 거의 없는 장점을 가진다.
연료전지 중 고체산화물 연료전지는 600 내지 1000℃의 고온에서 작동하므로 수소뿐만 아니라 탄화수소계열의 연료를 개질기 없이 내부 개질을 통하여 자유롭게 이용할 수 있고, 고체산화물 연료전지 자체의 연료 변화 효율이 45 내지 65%에 달하며, 폐열을 활용한 열병합 시스템을 통해서는 85% 이상의 시스템 효율을 얻을 수 있으므로 차세대 친환경 전기 발전 방식으로 주목받고 있다.
고체산화물 연료전지는 단전지의 형태에 따라 크게 평판형 고체산화물 연료전지와 원통형 고체산화물 연료전지로 구분될 수 있다. 원통형은 장기안정성 측면에서 유리하나, 평판형 고체산화물 연료전지는 원통형 고체산화물 연료전지에 비해 높은 전력밀도를 얻을 수 있다. 최근에는 원통형과 평판형 고체산화물 연료전지의 장점을 혼합한 평관형 고체산화물 연료전지에 대해서도 연구되고 있다.
고체산화물 연료전지는 연결재, 밀봉 부재를 이용하여 스택을 형성할 경우, 수W에서 MW 급 이상의 용량을 갖는 시스템을 구성할 수 있으므로 최근 고체산화물 연료전지 스택에 대한 연구가 많이 수행되고 있다.
특히 평판형이나 평관형 고체산화물 연료전지 스택은 많은 장점을 가진 반면, 밀봉에 관련된 열기계적 특성이 취약하고 고온에서 장시간 운전시 열적 안정성이 낮다는 단점이 있고 이러한 단점을 극복하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
본 발명은 열적 전기적 안정성이 향상된 고안정성 고체산화물 연료전지 스택을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택은 고체산화물 연료전지의 단전지, 상기 단전지의 가장자리 부분을 지지하는 셀프레임, 상기 셀프레임의 하부에 배치되고 상기 단전지와 전기적으로 접촉하는 연결재, 상기 셀프레임과 상기 연결재 사이에 배치된 밀봉 부재 및 상기 셀프레임과 상기 연결재 사이의 간격을 균일하게 유지시키는 스페이서 부재를 포함한다. 상기 스페이서 부재는 상기 셀프레임과 상기 연결재 사이의 영역 중 상기 밀봉 부재에 의해 밀봉되지 않은 영역에 배치되고, 마이카(Mica) 또는 절연 세라믹으로 형성된다.
일 실시예로, 고체산화물 연료전지 스택은 상기 셀프레임 및 상기 연결재를 관통하는 체결부재를 더 포함하고, 상기 스페이서 부재는 상기 체결부재가 삽입되는 체결홀을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 셀프레임 및 상기 연결재는 복수개의 코너를 갖고, 상기 스페이서 부재는 상기 코너들에 인접하게 각각 배치된 복수개의 코너 스페이서를 포함하며, 상기 체결부재는 상기 복수개의 코너 스페이서를 각각 관통하는 복수개의 볼트를 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 코너 스페이서 각각은 상기 셀프레임의 표면 및 상기 연결재의 표면 중 하나에 형성된 코팅막을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 고체산화물 연료전지 스택은 상기 셀프레임 및 상기 연결재를 관통하는 체결부재를 더 포함하고, 상기 스페이서 부재는 상기 체결부재에 인접하게 배치된 복수의 스페이서 패턴을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 셀프레임 및 상기 연결재 중 적어도 하나의 표면에는 상기 스페이서 패턴이 삽입되는 삽입홈이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택은 상부 플레이트, 상기 상부 플레이트와 이격된 하부 플레이트, 상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트 사이에 배치된 단전지 적층 구조체 및 상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트 그리고 상기 단전지 적층 구조체를 서로 결합시키는 체결부재를 포함한다. 상기 체결부재는 상기 상부 플레이트, 상기 단전지 적층 구조체 및 상기 하부 플레이트를 관통하는 볼트, 상기 볼트의 일 단부에 체결된 너트 및 상기 너트와 상기 상부 플레이트 사이 또는 상기 너트와 상기 하부 플레이트 사이에 배치되고 상기 볼트보다 열팽창 계수가 큰 물질로 형성된 와셔를 구비할 수 있다.
일 실시예로, 상기 볼트는 상기 단전지 적층 구조체 내부에 위치하는 부분의 표면에 형성되고 절연 세라믹 또는 글라스(glass) 재료로 형성된 절연막을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 체결부재는 상기 상부 플레이트, 상기 단전지 적층 구조체 및 상기 하부 플레이트의 적층 스택 내부에 배치되고, 상기 볼트가 관통하는 관통홀을 구비하며, 절연재료로 형성된 관형 절연재를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 셀프레임과 연결재 사이에 밀봉 부재와 함께 스페이서 부재를 배치시킴으로써 셀프레임과 연결재 사이의 간격 균일성을 향상시킬 수 있다.
그리고 볼트보다 열팽창 계수가 큰 물질로 형성된 와셔를 이용하여 고체산화물 연료전지 스택을 체결함으로써 고체산화물 연료전지 스택의 밀봉 능력 및 장기적 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 표면에 절연막이 형성되거나 관형 절연재에 의해 둘러싸인 볼트를 이용하여 고체산화물 연료전지 스택을 체결함으로써 고체산화물 연료전지 스택의 전기적 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 절단선 A-A'을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 단전지의 분해 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 셀프레임을 설명하기 위한 평면도이다.
도 5는 스페이서 부재의 일 실시예를 설명하기 위한 부분 평면도이다.
도 6a는 스페이서 부재의 다른 실시예를 설명하기 위한 부분 평면도이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 절단선 B-B'을 따라 절단한 부분 단면도이다.
도 7a는 체결부재의 일 실시예를 설명하기 위한 사시도이다.
도 7b는 체결부재의 다른 실시예를 설명하기 위한 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에서 본 발명을 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 확대 또는 축소하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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 사용되고 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 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택을 설명하기 위한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 절단선 A-A'을 따라 절단한 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 단전지의 분해 사시도이며, 도 4는 도 2에 도시된 셀프레임을 설명하기 위한 평면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)은 단전지 적층 구조체(1100), 상부 플레이트(1200), 하부 플레이트(1300) 및 체결부재(1400)를 포함한다.
단전지 적층 구조체(1100)는 복수의 단전지들(1110), 단전지들(1110)의 가장 자리를 지지하는 복수의 셀프레임들(1120), 단전지들(1110)을 전기적으로 연결하는 복수의 연결재들(1130), 단전지들(1110)에 공급되는 연료와 공기의 혼합 또는 외부 누출을 방지하는 밀봉 부재(1140) 및 셀프레임(1120)과 연결재(1130) 사이의 간격 균일성을 향상시키는 스페이서 부재(1150)를 포함할 수 있다. 상기와 같은 단전지 적층 구조체(1100)는 복수의 단전지들(1110)이 지지된 셀프레임들(1120)과 연결재들(1130)이 교대로 적층되고, 밀봉 부재(1140) 및 스페이서 부재(1150)가 셀프레임(1120)과 연결재(1130) 사이에 배치된 구조를 가질 수 있다.
단전지들(1110) 각각은 도 3에 도시된 바와 같은 평판형 고체산화물 연료전지의 단전지이거나 도면에 도시되진 않았지만 평관형 고체산화물 연료전지의 단전지일 수 있다. 일 예로, 단전지들(1110)이 평판형 고체산화물 연료전지의 단전지인 경우, 단전지들(1110) 각각은 제1 전극(1111), 제2 전극(1112) 및 상기 제1 전극(1111)과 제2 전극(1112) 사이에 위치하는 고체 산화물 전해질(1113)을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(1111) 및 제2 전극(1112) 중 하나는 연료가 공급되는 연료극일 수 있고, 나머지 하나는 공기가 공급되는 공기극일 수 있다. 상기 연료극 및 공기극에 수소(H2)를 포함하는 연료 및 산소(O2)를 포함하는 공기가 각각 공급되면, 산소 분압차에 의해 상기 공기극에서 환원된 산소 이온(O2-)이 전해질(1113)을 경유하여 상기 연료극으로 이동하게 되고, 상기 연료극으로 이동된 산소 이온(O2-)은 상기 연료극에 제공된 수소(H2)와 반응하여 물(H2O)과 전자(e-)를 생성하게 된다. 단전지들(1110) 각각은 상기와 같이 반응을 통해 생성된 전자를 이용하여 전기 에너지를 생성한다.
상기 연료극(anode)은 전기 전도성 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 연료극은 이트륨(Y), 세륨(Ce), 지르코늄(Zr), 니켈(Ni) 등으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 성분을 포함하는 단일원소 물질, 화합물 또는 복합물로 형성될 수 있다. 이 외에도 상기 연료극은 구성하는 물질은 전기 전도성을 갖는 산화물이라면 특별히 제한되지 않고, 상기에서 나열된 성분들 외에 적어도 하나의 다른 성분을 더 포함하는 화합물 또는 복합물로 이루어지거나 상기에서 나열된 성분을 제외한 적어도 하나의 다른 성분을 포함하는 단일원소 물질, 화합물 또는 복합물로 이루어질 수 있다. 상기 연료극은 내부를 통하여 수소(H2)가 이동할 수 있도록 다공성 구조로 형성될 수 있다.
상기 공기극(cathod)은 전기 전도성 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 공기극은 란탄늄(La), 스트론튬(Sr), 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe) 등으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 성분을 포함하는 단일원소 물질, 화합물 또는 복합물로 형성될 수 있다. 이 외에도 상기 공기극을 구성하는 물질은 전기 전도성을 갖는 산화물이라면 특별히 제한되지 않고, 상기에서 나열된 성분들 외에 적어도 하나의 다른 성분을 더 포함하는 화합물 또는 복합물로 이루어지거나 상기에서 나열된 성분을 제외한 적어도 하나의 다른 성분을 포함하는 단일원소 물질, 화합물 또는 복합물로 이루어질 수 있다. 상기 공기극은 내부를 통하여 산소가 이동할 수 있도록 다공성 구조로 형성될 수 있다.
상기 전해질(1113)은 산소 이온 전도성 고체 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 전해질(1113)은 높은 이온 전도성, 우수한 산화-환원 분위기에서의 안정성 및 우수한 기계적 특성을 갖는 물질로 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 란탄늄(La), 스트론튬(Sr), 갈륨(Ga), 마그네슘(Mg), 바륨(Ba), 세륨(Ce), 사마륨(Sm), 스칸듐(Sc) 등으로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 성분을 포함하는 단일원소 물질, 화합물 또는 복합물로 이루어질 수 있다. 이 외에도 상기 전해질(1113)을 구성하는 물질은 산소 이온 전도성을 갖는 산화물이라면 특별히 제한되지 않고, 상기에서 나열된 성부들 외에 적어도 하나의 다른 성분을 더 포함하는 화합물 또는 복합물로 이루어지거나 상기에서 나열된 성분을 제외한 적어도 하나의 다른 성분을 포함하는 화합물 또는 복합물로 이루어질 수 있다. 상기 전해질(1113)은 내부로 연료 및 공기가 이동하지 못하도록 치밀한 구조로 형성될 수 있다.
셀프레임들(1120)은 단전지들(1110)의 가장자리 부분을 각각 지지하여 고체산화물 연료전지 스택(1000)의 조립성 및 내구성을 향상시킨다. 일 예로, 셀프레임들(1120) 각각은 도 4에 도시된 바와 같이 사각형 액자 형태의 프레임 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 셀프레임(1120) 각각은 채널용 개구부(1121), 제1 연료 공급용 개구부(1122A), 제1 연료 배출용 개구부(1122B), 제1 공기 공급용 개구부(1123A), 제1 공기 배출용 개구부(1123B) 및 복수의 제1 체결홀들(1124)을 포함할 수 있다.
채널용 개구부(1121)는 셀프레임(1120)의 가운데 부분에 형성되고, 지지된 단전지(1110)의 하부 전극(1111), 예를 들면, 연료극을 노출시킨다. 채널용 개구부(1121)의 경계부에는 단전지(1110)의 가장자리 부분을 지지하기 위한 단턱(1125)이 형성될 수 있다.
제1 연료 공급용 개구부(1122A)와 제1 연료 배출용 개구부(1122B)는 채널용 개구부(1121)를 사이에 두고 제1 방향으로 서로 이격되게 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 연료 공급용 개구부(1122A)는 상기 제1 방향과 교차하는 셀프레임(1120)의 제1 모서리와 채널용 개구부(1121) 사이에 형성되고, 제1 연료 배출용 개구부(1122B)는 상기 제1 모서리와 대향하는 셀프레임(1120)의 제2 모서리와 채널용 개구부(1121) 사이에 형성될 수 있다.
제1 공기 공급용 개구부(1123A)와 제1 공기 배출용 개구부(1123B)는 채널용 개구부(1121)를 사이에 두고 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 이격되게 형성될 수 있다. 예들 들면, 제1 공기 공급용 개구부(1123A)는 상기 제1 모서리와 인접한 상기 셀프레임(1120)의 제3 모서리와 채널용 개구부(1121) 사이에 형성될 수 있고, 제1 공기 배출용 개구부(1123B)는 상기 제3 모서리와 대향하는 셀프레임(1120)의 제4 모서리와 채널용 개구부(1121) 사이에 형성될 수 있다. 이와 달리, 도면에 도시되진 않았지만, 제1 공기 공급용 개구부(1123A)는 상기 제1 연료 배출용 개구부(1122B)에 인접한 위치, 즉, 셀프레임(1120)의 제2 모서리와 채널용 개구부(1121) 사이에 형성될 수 있고, 제1 공기 배출용 개구부(1123B)는 제1 연료 공급용 개구부(1122A)에 인접한 위치, 즉, 셀프레임(1120)의 제1 모서리와 채널용 개구부(1121) 사이에 형성될 수 있다.
제1 체결홀들(1124)은 셀프레임(1120)의 4개의 코너(corner)에 인접한 위치에 각각 형성될 수 있다. 제1 체결홀들(1124)에는 체결부재(1400)가 각각 삽입된다. 제1 체결홀들(1124)은 다양한 형상을 가질 수 있고, 그 형상이 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 제1 체결홀들(1124)은 원형 형태를 가질 수 있다.
연결재들(1130)은 단전지들(1110)을 서로 전기적으로 연결할 뿐만 아니라 고체산화물 연료전지 스택(1000)을 외부 회로와 연결한다. 이를 위하여 연결재들(1130)은 도전성 세라믹 또는 금속 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 연결재들(1130)은 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 LaCrO3계열의 세라믹 재질 또는 철(Fe)-크롬(Cr) 계열의 금속 재질로 형성될 수 있다.
연결재들(1130) 각각은 셀프레임(1120)과 동일한 형상의 테두리를 갖는 사각 플레이트 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 연결재들(1130) 각각은 셀프레임(1120)의 제1 연료 공급용 개구부(1122A)와 제1 연료 배출용 개구부(1122B)에 각각 대응하는 위치에 형성된 제2 연료 공급용 개구부와 제2 연료 배출용 개구부, 셀프레임(1120)의 제1 공기 공급용 개구부(1123A)와 제1 공기 배출용 개구부(1123B)에 각각 대응하는 위치에 형성된 제2 공기 공급용 개구부와 제2 공기 배출용 개구부 및 셀프레임(1120)의 제1 체결홀들(1124)에 대응하는 위치에 각각 형성된 복수의 제2 체결홀들(1134)을 구비할 수 있다.
또한, 연결재들(1130) 각각은 양쪽 면에 각각 형성된 연료용 유로 및 공기용 유로를 구비할 수 있다. 상기 연료용 유로는 연결재(1130)의 제1 면 중 셀프레임(1120)의 채널용 개구부(1121)와 대응하는 영역에 형성되고, 상기 제2 연료 공급용 개구부 및 상기 제2 연료 배출용 개구부와 연통할 수 있다. 상기 공기용 유로는 상기 제1 면과 대향하는 연결재(1130)의 제2 면 중 셀프레임(1120)의 채널용 개구부(1121)와 대응하는 영역에 형성되고, 상기 제2 공기 공급용 개구부 및 상기 제2 공기 배출용 개구부와 연통할 수 있다.
연결재들(1130)은 상부 플레이트(1200)와 최상부 단전지(1110) 사이에 배치된 제1 연결재(1130A), 단전지들(1110) 사이에 배치된 복수의 제2 연결재들(1130B) 및 하부 플레이트(1300)와 최하부 단전지(1110) 사이에 배치된 제3 연결재(1130C)를 포함할 수 있다. 제1 연결재(1130A) 및 제3 연결재(1130C)는 외부 회로와 연결되기 위한 집전체(Current Collector)로 기능하고, 제2 연결재(1130B)에 비해 고체산화물 연료전지 스택(1000)을 외부 회로와 연결하기 위한 접촉단자를 더 포함할 수 있다. 다만, 상부 플레이트(1200)와 마주보는 제1 연결재(1130A)의 상부면 및 하부 플레이트(1300)와 마주보는 제3 연결재(1130C)의 하부면에는 연료용 유로 또는 공기용 유로가 형성되지 않을 수 있다.
밀봉 부재(1140)는 셀프레임(1120)과 이에 인접한 연결재(1130) 사이에 배치되어, 연료와 공기가 혼합되거나 이들이 외부로 누출되는 것을 방지한다. 밀봉 부재(1140)는 글라스 재료, 글라스와 세라믹의 복합체 재료 등으로 형성될 수 있다.
밀봉 부재(1140)는 연료용 유로가 형성된 연결재(1130)의 제1 면과 이와 마주보는 셀프레임(1120) 사이에 배치된 제1 밀봉 부재(1140A) 및 공기용 유로가 형성된 연결재(1130)의 제2 면과 이와 마주보는 셀프레임(1120) 사이에 배치된 제2 밀봉 부재(1140B)를 포함할 수 있다. 제1 밀봉부재(1140A)는 연결재(1130)의 제2 연료 공급용 개구부, 연료용 유로 및 제2 연료 배출용 개구부를 둘러싸는 폐곡선을 구성하는 제1 밀봉부, 연결재(1130)의 제2 공기 공급용 개구부를 둘러싸는 폐곡선을 구성하는 제2 밀봉부 및 연결재(1130)의 제2 공기 배출용 개구부를 둘러싸는 폐곡선을 구성하는 제3 밀봉부를 포함할 수 있다. 제2 밀봉부재(1140B)는 연결재(1130)의 제2 공기 공급용 개구부, 공기용 유로 및 제2 공기 배출용 개구부를 둘러싸는 폐곡선을 구성하는 제4 밀봉부, 연결재(1130)의 제2 연료 공급용 개구부를 둘러싸는 폐곡선을 구성하는 제5 밀봉부 및 연결재(1130)의 제2 연료 배출용 개구부를 둘러싸는 폐곡선을 구성하는 제6 밀봉부를 포함할 수 있다.
스페이서 부재(1150)는 연결재(1130)와 이에 인접한 셀프레임(1120) 사이에 배치되어 이들 사이의 간격을 균일하게 유지하는 기능을 한다. 스페이서 부재(1150)는 셀프레임(1120)과 연결재(1130) 사이의 영역 중 밀봉 부재(1140)에 의해 밀봉되지 않은 영역에 배치될 수 있고, 고온, 예를 들면, 밀봉 부재(1140)를 구성하는 물질의 전이온도 이상의 온도에서도 유동성이 없으며 절연성인 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 스페이서 부재(1150)는 마이카(Mica) 또는 절연성 세라믹 물질로 형성될 수 있다.
고체산화물 연료전지 스택(1000)을 형성하는 과정에서 밀봉 부재(1140)를 셀프레임(1120)과 연결재(1130)에 접합시키기 위하여, 고체산화물 연료전지 스택(1000)의 구성요소들을 적층한 후 이를 가압 상태에서 밀봉 부재(1140)를 이루는 글라스 물질의 전이온도 이상으로 가열하는 열처리가 이루어진다. 이 과정에서, 연결재(1130)와 이에 인접한 셀프레임(1120) 사이에 밀봉 부재(1140)만이 배치된 경우, 밀봉 부재(1140)의 유동성으로 인하여 셀프레임(1120)과 연결재(1130) 사이의 간격이 불균일해지는 문제점이 발생할 수 있다. 셀프레임(1120)과 연결재(1130) 사이의 간격이 불균일해지는 경우, 응력 집중으로 인하여 고체산화물 연료전지 스택(1000)의 내구성이 저하될 수 있을 뿐만 아니라 단전지(1110)와 연결재(1130) 사이의 전기적 접촉 저항이 높아져 고체산화물 연료전지 스택(1000)의 효율이 저하될 수 있다.
스페이서 부재(1150)는 이러한 문제점을 해결하기 위한 구성으로서, 마이카나 절연성 세라믹 재질로 형성되어 고온 열처리 과정에서도 유동성이 거의 없으므로 고체산화물 연료전지 스택(1000)을 제조하는 과정 동안 셀프레임(1120)과 연결재(1130) 사이의 간격을 균일하게 유지시킬 수 있다. 이하 도 5, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 스페이서 부재(1150)에 대해 상술한다.
도 5는 스페이서 부재의 일 실시예를 설명하기 위한 평면도이다.
도 1 및 도 2와 함께 도 5를 참조하면, 스페이서 부재(1150)는 연결재(1130)의 4개의 코너부와 셀프레임(1120)의 4개의 코너부 사이에 각각 배치된 4개의 코너 스페이서(1150)를 포함할 수 있다.
코너 스페이서들(1150) 각각은 일정한 두께를 갖고, 평탄한 상부면과 하부면을 가지며, 셀프레임(1120)의 제1 체결홀(1124) 및 연결재(1130)의 제2 체결홀(1134)과 대응되는 제3 체결홀(1154)을 구비할 수 있다. 코너 스페이서(1150)의 제3 체결홀(1154)은 셀프레임(1120)의 제1 체결홀(1124) 및 연결재(1130)의 제2 체결홀(1134)과 동일한 크기 및 형상을 가질 수 있다.
셀프레임(1120)과 연결재(1130) 사이의 간격 균일성을 향상시킬 수 있다면, 코너 스페이서들(1150) 각각의 평면 형상은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 코너 스페이서들(1150) 각각은 원형, 타원형, 다각형 등의 정형적인 평면 형상뿐만 아니라 부정형의 평면 형상을 가질 수 있다.
코너 스페이서들(1150) 각각은 연결재(1130) 및 셀프레임(1120)과 분리될 수 있는 독립된 구성요소일 수 있다. 이와 달리, 코너 스페이서들(1150) 각각은 연결재(1130) 또는 셀프레임(1120)의 표면에 일정한 두께로 코팅된 코팅막일 수 있다.
셀프레임(1120)과 연결재(1130) 사이에 밀봉 부재(1140) 및 스페이서 부재(1150)를 배치한 후, 밀봉 부재(1140)를 셀프레임(1120)과 연결재(1130)에 접합시키기 위해 고온에서 가압하는 경우, 밀봉 부재(1140)는 유동성을 가지므로 넓게 퍼지게 되고, 그 결과, 상기 밀봉 부재(1140)는 스페이서 부재(1150)의 측면과 인접하거나 접할 수 있다.
도 6a는 스페이서 부재의 다른 실시예를 설명하기 위한 평면도이고, 도 6b는 도 6a에 도시된 절단선 B-B'을 따라 절단한 부분 단면도이다.
도 1 및 도 2와 함께 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 스페이서 부재(1150)는 연결재(1130)의 4개의 코너부와 셀프레임(1120)의 4개의 코너부 사이에 각각 배치된 4개의 코너 스페이서(1150)를 포함할 수 있다.
코너 스페이서들(1150)은 셀프레임(1120)의 제1 체결홀(1124) 및 연결재(1130)의 제2 체결홀(1134)에 삽입된 체결부재(1400)에 인접하게 배치되고, 일정한 높이를 갖는 하나 이상의 스페이서 패턴들을 포함할 수 있다. 이 경우, 셀프레임(1120) 또는 연결재(1130)에는 스페이서 패턴들이 삽입될 수 있는 삽입홈이 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 6b에 도시된 바와 같이 연결재(1130)의 표면에 스페이서 패턴들이 삽입될 수 있는 삽입홈이 형성될 수 있다. 이와 달리, 도면에 도시되지 않았지만 셀플레임(1120)의 표면에 상기 삽입홈이 형성되거나 셀프레임(1120)과 연결재(1130) 모두의 표면에 상기 삽입홈이 형성될 수 있다. 스페이서 패턴들의 개수 및 형상은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 코너 스페이서들(1150) 각각은 도 6a에 도시된 바와 같이 연결재(1130)의 제2 체결홀(1134)을 둘러싸도록 배치된 4개의 직육면체 스페이서 패턴들을 포함할 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 상부 플레이트(1200) 및 하부 플레이트(1300)는 단전지 적층 구조체(1100)의 상부 및 하부에 각각 배치되어, 단전지 적층 구조체(1100)에 균일한 압력이 인가될 수 있도록 한다. 상부 플레이트(1200)는 셀프레임(1120)의 제1 체결홀들(1124) 및 연결재(1130)의 제2 체결홀들(1134)과 각각 연결되고 체결부재(1400)가 삽입되는 제4 체결홀들(1204)을 구비할 수 있고, 하부 플레이트(1300)는 체결부재(1400) 삽입될 수 있도록 상부 플레이트(1200)의 제4 체결홀들(1204)과 각각 대응하는 제5 체결홀들(1304)을 구비할 수 있다. 도면에 도시되진 않았지만, 상부 플레이트(1200)와 하부 플레이트(1300) 중 하나에는 외부 연료공급부(미도시) 및 외부 공기 공급부(미도시)와 연결될 수 있다.
상기 체결부재(1400)는 상부 플레이트(1200) 및 하부 플레이트(1300)가 단전지 적층 구조체(1100)를 균일하게 가압하도록 상부 플레이트(1200), 단전지 적층 구조체(1100) 및 하부 플레이트(1300)를 결합시킨다. 본 발명에서는 고체산화물 연료전지 스택(1000)의 4개의 코너부에 각각 체결되는 4개의 체결부재(1400)가 사용될 수 있다. 이하 도 7a 및 도 7b를 참조하여 체결부재(1400)에 대해 상술한다.
도 7a는 체결부재의 일 실시예를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1 및 도 2와 함께 도 7a를 참조하면, 각각의 체결부재(1400)는 볼트(1410), 제1 와셔(1421), 제2 와셔(1422), 제1 너트(1431) 및 제2 너트(1432)를 포함할 수 있다.
볼트(1410)는 상부 플레이트(1200), 단전지 적층 구조체(1100) 및 하부 플레이트(1300)를 관통할 수 있다. 즉, 볼트(1410)는 상부 플레이트(1200)의 제4 체결홀(1204), 셀프레임(1120)의 제1 체결홀들(1124), 연결재들(1130)의 제2 체결홀들(1134), 스페이서 부재(1150)의 제3 체결홀들(1154) 및 하부 플레이트(1300)의 제5 체결홀(1304)을 관통할 수 있고, 상기 볼트(1410)의 길이는 상부 플레이트(1200), 단전지 적층 구조체(1100) 및 하부 플레이트(1300) 각각의 두께를 합한 값보다 클 수 있다. 상기 볼트(1410)의 양쪽 단부에는 제1 및 제2 너트(1431, 1432)가 체결될 수 있는 나사산이 형성될 수 있다.
볼트(1410)는 표면에 형성된 절연막(1411)을 포함할 수 있다. 절연막(1411)은 절연 세라믹 물질, 글라스(glass) 물질 등으로 형성될 수 있다.
고체산화물 연료전지 스택(1000)의 고온 작동 중에 볼트(1410) 표면 및 연결재들(1130) 표면으로부터 산화물이 성장하여 볼트(1410)와 연결재들(1130) 사이의 전기적 절연이 파괴될 수 있는데, 볼트(1410) 표면에 형성된 절연막(1411)은 볼트(1410) 표면으로부터 산화물이 성장하는 것을 방지할 수 있고, 그 결과 볼트(1410)와 연결재들(1130) 사이의 전기적 절연이 파괴되는 것을 방지할 수 있다. 절연막(1411)은 볼트(1410)와 단전지 적층 구조체(1100)의 연결재들(1130) 사이의 절연 파괴를 방지하기 위한 구성이므로, 절연막(1411)은 볼트(1410) 중 적어도 단전지 적층 구조체(1100)에 삽입되는 부분의 표면에 형성될 수 있다.
제1 와셔(1421) 및 제1 너트(1431)는 상부 플레이트(1200) 상부로 돌출된 볼트(1410)의 일 단부 부분에 끼워질 수 있고, 제2 와셔(1422) 및 제2 너트(1432)는 하부 플레이트(1300) 하부로 돌출된 볼트(1410)의 타 단부 부분에 끼워질 수 있다. 즉, 제1 와셔(1421)는 상부 플레이트(1200)와 제1 너트(1431) 사이에 배치되어 열팽창시 상부 플레이트(1200)를 가압할 수 있고, 제2 와셔(1422)는 하부 플레이트(1300)와 제2 너트(1432) 사이에 배치되어 열팽창시 하부 플레이트(1300)를 가압할 수 있다.
열팽창시 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 가압할 수 있도록, 제1 및 제2 와셔(1421, 1422)는 볼트(1410)보다 열팽창 계수가 큰 물질로 형성될 수 있다.
일반적으로, 고체산화물 연료전지는 약 600℃ 내지 1000℃의 고온에서 작동한다. 이러한 고체산화물 연료전지의 작동 온도에서는 고체산화물 연료전지 스택(1000)뿐만 아니라 볼트(1410)도 열팽창을 하게 되는데, 볼트(1410)는 일반적으로 세라믹, 글라스, 금속 등으로 이루어진 고체산화물 연료전지 스택(1000)보다 더 많이 팽창하게 된다. 볼트(1410)가 고체산화물 연료전지 스택(1000)보다 더 많이 팽창하는 경우, 체결부재(1400)에 의해 고체산화물 연료전지 스택(1000)에 인가되는 압력이 감소하게 되고, 이와 같은 압력 감소는 고체산화물 연료전지 스택(1000)의 장기 운전시 밀봉 파괴, 내구성 저하 등의 문제를 유발할 수 있다.
본 발명에 있어서는 볼트(1410)보다 열팽창 계수가 큰 재질로 형성된 제1 및 제2 와셔(1421, 1422)를 제1 너트(1431)와 상부 플레이트(1200) 사이 및 제2 너트(1432)와 하부 플레이트(1300) 사이에 각각 배치시켜 볼트(1410)와 고체산화물 연료전지 스택(1000)의 열팽창률 차이를 보상하게 함으로써 고체산화물 연료전지 스택(1000)의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.
한편, 제1 와셔(1421) 및 제2 와셔(1422) 각각은 도 7a에 도시된 바와 같이 단품 구조일 수도 있고, 이와 달리, 상대적으로 작은 높이를 갖는 복수개의 와셔가 적층된 구조를 가질 수도 있다.
도 7b는 체결부재의 다른 실시예를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1 및 도 2와 함께 도 7b를 참조하면, 각각의 체결부재(1400)는 관형 절연재(1440), 볼트(1410), 제1 와셔(1421), 제2 와셔(1422), 제1 너트(1431) 및 제2 너트(1432)를 포함할 수 있다. 제1 와셔(1421), 제2 와셔(1422), 제1 너트(1431) 및 제2 너트(1432)는 도 7a를 참조하여 설명한 것들과 실질적으로 동일하므로 이들에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
관형 절연재(1440)는 상부 플레이트(1200), 단전지 적층 구조체(1100) 및 하부 플레이트(1300)의 적층 스택 내부에 배치될 수 있고, 내부에 상기 볼트(1410)가 삽입될 수 있는 관통홀을 구비하며, 절연성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 관형 절연재(1440)는 절연 세라믹 재료, 글라스(glass) 재료 등으로 형성될 수 있다. 관형 절연재(1440)는 단전지 적층 구조체(1100) 내부에서 연결재(1130)와 볼트(1410) 사이의 절연 파괴를 방지하는 역할을 할 수 있다.
관형 절연재(1440)가 상부 플레이트(1200), 단전지 적층 구조체(1100) 및 하부 플레이트(1300)의 적층 스택 외부로 돌출되는 경우, 와셔(1421, 1422)가 열팽창을 통하여 상부 플레이트(1200) 또는 하부 플레이트(1300)를 가압하는 것을 방해할 수 있으므로, 관형 절연재(1440)의 길이는 단전지 적층 구조체(1100)의 높이보다는 크고, 상부 플레이트(1200), 단전지 적층 구조체(1100) 및 하부 플레이트(1300)의 적층 스택 전체의 높이보다는 작거나 같은 것이 바람직하다.
한편, 도 7a 및 도 7b에는 체결부재(1400)가 양쪽 단부에 나사산이 형성된 볼트(1410)를 구비하는 예가 도시되어 있으나, 체결부재(1400)는 일 단부에만 나사산이 형성되고, 타단부에는 머리부가 형성된 볼트(미도시)를 포함할 수 있다. 이 경우, 상부 플레이트(1200) 및 하부 플레이트(1300) 중 일측에만 와셔가 배치될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 셀프레임과 연결재 사이에 밀봉 부재와 함께 스페이서 부재를 배치시킴으로써 셀프레임과 연결재 사이의 간격 균일성을 향상시킬 수 있다.
그리고 볼트보다 열팽창 계수가 큰 물질로 형성된 와셔를 이용하여 고체산화물 연료전지 스택을 체결함으로써 고체산화물 연료전지 스택의 밀봉 능력 및 장기적 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 표면에 절연막이 형성되거나 관형 절연재에 의해 둘러싸인 볼트를 이용하여 고체산화물 연료전지 스택을 체결함으로서 고체산화물 연료전지 스택의 전기적 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 고체산화물 연료전지의 단전지; 상기 단전지의 가장자리 부분을 지지하는 셀프레임; 상기 셀프레임의 하부에 배치되고, 상기 단전지와 전기적으로 연결된 연결재; 상기 셀프레임과 상기 연결재 사이에 배치된 밀봉 부재; 및 상기 셀프레임과 상기 연결재 사이의 영역 중 상기 밀봉 부재에 의해 밀봉되지 않은 영역에 배치되고, 마이카(Mica) 또는 절연 세라믹으로 형성되며, 상기 셀프레임과 상기 연결재 사이의 간격을 균일하게 유지시키는 스페이서 부재를 포함하는 단전지 적층 구조체;
    상기 단전지 적층 구조체의 상부 및 하부에 각각 배치된 상부 플레이트 및 하부 플레이트; 및
    상기 상부 플레이트, 상기 단전지 적층 구조체 및 상기 하부 플레이트를 관통하는 볼트, 상기 볼트의 일 단부에 체결된 너트 및 상기 너트와 상기 플레이트 사이 또는 상기 너트와 상기 하부 플레이트 사이에 배치되고 상기 볼트보다 열팽창 계수가 큰 물질로 형성된 와셔를 구비하는 체결부재를 포함하고,
    상기 체결부재는 관형 절연재를 더 포함하고,
    상기 관형 절연재는 상기 상부 플레이트, 상기 단전지 적층 구조체 및 상기 하부 플레이트의 적층 스택 내부에 배치되고, 상기 볼트가 관통하는 관통홀을 구비하고, 절연재료로 형성되며,
    상기 스페이서 부재는 상기 체결부재에 인접하게 배치되고 서로 이격된 복수의 스페이서 패턴들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지 스택.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 셀프레임 및 상기 연결재는 복수개의 코너를 갖고,
    상기 스페이서 패턴들은 상기 코너들에 인접하게 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스페이서 패턴들은 상기 셀프레임의 표면 및 상기 연결재의 표면 중 하나에 형성된 코팅막인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 셀프레임 및 상기 연결재 중 적어도 하나의 표면에는 상기 스페이서 패턴이 삽입되는 삽입홈이 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 볼트는 상기 단전지 적층 구조체 내부에 위치하는 부분의 표면에 형성되고, 절연세라믹 또는 글라스(glass) 재료로 형성된 절연막을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  9. 삭제
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