KR102389981B1 - 연료전지용 프레임 및 이를 포함하는 연료전지 스택 구조물 - Google Patents

연료전지용 프레임 및 이를 포함하는 연료전지 스택 구조물 Download PDF

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Abstract

연료전지용 프레임이 개시된다. 연료전지용 프레임은 채널용 개구와 상기 채널용 개구를 사이에 두고 서로 이격된 공급 개구 및 배출 개구가 형성된 프레임 본체 및 프레임 본체의 상부면 중 채널용 개구와 공급 개구 사이의 제1 영역 및 채널용 개구와 배출 개구 사이의 제2 영역으로부터 돌출되도록 형성되고, 장축과 단축을 갖는 타원형 단면 형상을 갖는 복수의 변형방지 지지체들을 구비한다.

Description

연료전지용 프레임 및 이를 포함하는 연료전지 스택 구조물{FRAME FOR FUEL CELL AND FUEL CELL STACK STRUCTURE HAVING THE FRAME}
본 발명은 연료 전지용 프레임 및 이를 포함하는 연료전지 스택 구조물에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 연료전지 스택 구조물의 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 프레임 및 이를 포함하는 연료전지 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 전지는 일반적으로 고출력을 달성하기 위해 전해질층, 공기극층 및 연료극층으로 이루어진 단전지를 적층하여 스택을 구성하여 사용된다. 연료전지 스택은 프레임, 인터커넥터 등의 부재를 이용하여 복수의 연료전지 단전지를 적층하게 되는데, 연료전지 스택의 조립 과정이나 운전 중에는 단전지들의 안정적인 전기적 연결이나 연료 또는 공기의 밀봉을 위해 상기 연료전지 스택에 고압의 압력이 인가된다. 그 결과, 연료전지 스택을 구성하는 구성요소들, 예를 들면, 연료전지 단전지, 프레임, 인터커넥트 등은 이러한 고압에 의해 변형될 가능성이 높고, 이들의 변형은 연료전지 스택의 안정성뿐만 아니라 전력 효율 등을 저하시키고, 연료전지 스택의 수명을 감소시킨다.
본 발명의 일 목적은 연료전지 스택 구조물의 내구성 및 안정성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 프레임을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 프레임을 포함하여 내구성 및 안정성이 향상된 연료전지 스택 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 프레임은 채널용 개구와 상기 채널용 개구를 사이에 두고 서로 이격된 공급 개구 및 배출 개구가 형성된 프레임 본체; 및 상기 프레임 본체의 상부면 중 상기 채널용 개구와 상기 공급 개구 사이의 제1 영역 및 상기 채널용 개구와 상기 배출 개구 사이의 제2 영역으로부터 돌출되도록 형성되고, 장축과 단축을 갖는 타원형 단면 형상을 갖는 복수의 변형방지 지지체들을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 변형방지 지지체들의 장축은 상기 공급 개구로부터 상기 배출 개구를 향하는 제1 방향에 평행하고, 상기 제1 영역에 형성된 변형방지 지지체들 및 상기 제2 영역에 형성된 변형방지 지지체들은 각각 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 일렬로 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 프레임 본체의 상부면은 상부 기준면 영역 및 상기 기준면 영역에 비해 상기 프레임 본체 내부로 함몰되고 상기 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 유체이동 저면 영역을 구비할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 변형방지 지지체들의 돌출 높이는 상기 상부 기준면 영역과 상기 유체이동 저면 영역의 높이차의 80% 이상 120% 이하일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 프레임 본체의 하부면은 하부 기준면 영역 및 상기 채널용 개구의 가장자리를 따라 형성되고 상기 하부 기준면 영역에 비해 상기 프레임 본체 내부로 함몰된 셀 지지 영역을 구비하고, 상기 변형방지 지지체들은 상기 하부 기준면 영역 상부에서 상기 셀 지지 영역 상부까지 연장되도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 유체이동 저면 영역으로부터 돌출되도록 형성되고, 격자 형태로 규칙적으로 배치된 가이드 돌기들을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 공급 개구는 서로 이격된 제1 공급홀 및 제2 공급홀을 포함하고, 상기 제1 영역은 상기 제1 공급홀과 상기 채널용 개구 사이에 위치하는 제3 영역, 상기 제2 공급홀과 상기 채널용 개구 사이에 위치하는 제4 영역 및 상기 제3 영역과 상기 제4 영역 사이에 위치하여 상기 제1 공급홀과 상기 제2 공급홀의 사이 영역에 대응하는 제5 영역을 포함하고, 상기 제1 영역에 형성된 상기 변형방지 지지체들은 상기 제3 영역과 상기 제4 영역에 형성되며, 상기 가이드 돌기들 중 적어도 일부는 상기 제5 영역에 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 영역에 형성된 변형방지 지지체들 중 상기 제5 영역에 인접하게 배치된 적어도 일부는 나머지 변형방지 지지체들의 장축 방향에 비해 상기 제5 영역 방향으로 경사진 장축을 갖고, 상기 제4 영역에 형성된 변형방지 지지체들 중 상기 제5 영역에 인접하게 배치된 적어도 일부는 나머지 변형방지 지지체들의 장축 방향에 비해 상기 제5 영역 방향으로 경사진 장축을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택은 전해질층, 상기 전해질층의 상부면과 하부면에 각각 형성된 상부 전극층 및 하부 전극층을 포함하는 연료전지 셀; 상기 연료전지 셀의 상부에 배치된 프레임; 및 상기 프레임의 상부에 배치된 인터커넥터를 포함한다. 그리고 상기 프레임은 상기 상부 전극층을 노출시키는 채널용 개구 및 상기 채널용 개구를 사이에 두고 서로 이격된 공급 개구와 배출 개구가 형성된 프레임 본체; 및 상기 프레임의 상부면 중 상기 채널용 개구와 상기 공급 개구 사이의 제1 영역 및 상기 채널용 개구와 상기 배출 개구 사이의 제2 영역으로부터 상기 인터커넥터 방향으로 돌출되도록 형성되고, 장축과 단축을 갖는 타원형 단면 형상을 갖는 복수의 변형방지 지지체들을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 스택 구조물은 상기 프레임 본체와 이에 대응하는 상기 인터커넥터 부분 사이에 배치된 복합기능 구조체를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복합기능 구조체는 상부 기준면 영역 및 상기 기준면 영역에 비해 상기 프레임 본체 내부로 함몰되고 상기 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 유체이동 저면 영역을 구비하는 상기 프레임 본체의 상부면 중 상기 유체이동 저면 영역과 이에 대응하는 상기 인터커넥터 부분 사이에 배치될 수 있다. 그리고 상기 프레임은 상기 프레임 본체의 상부면 중 상기 유체이동 저면 영역으로부터 상기 인터커넥터 방향으로 돌출되어 상기 복합기능 구조체의 측면을 지지하는 복수의 가이드 돌기들 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 가이드 돌기의 높이는 상기 변형방지 지지체들의 높이보다 작거나 같고, 상기 복합기능 구조체의 높이는 상기 변형방지 지지체들의 높이와 동일할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 채널용 개구에 삽입되고, 상기 인터커넥터와 상기 연료전지 셀의 상부 전극층을 전기적으로 연결하며, 모서리가 라운드진 사각 플레이트 구조의 집전체를 더 포함하고, 상기 집전체 모서리의 측면 가장자리 부분은 라운드질 수 있다.
본 발명에 따르면, 프레임의 유체이동 저면 영역에 변형방지 지지체들을 형성함으로써 연료 또는 공기의 균일한 흐름을 유도할 수 있을 뿐만 아니라 유체이동 저면 영역과 상부 기준면 영역 사이의 높이차에 의해 발생할 수 있는 인터커넥터 등의 변형을 방지할 수 있고, 또한 하부 기준면 영역과 셀 지지 영역 사이의 두께차에 의해 발생될 수 있는 프레임 자체의 변형도 방지할 수 있다.
또한, 복합기능 구조체의 위치에 따라 연료전지 스택 구조물 내에서 연료전지 셀의 각 부위별 인가되는 하중에 편차가 발생하게 되는데, 본 발명에서는 프레임에 상기 복합기능 구조체를 지지하기 위한 가이드 돌기들을 앞에서 설명한 바에 따라 형성하고 상기 복합기능 구조체 중 센터 구조체를 연료전지 셀에 상대적으로 가깝게 배치시키며 코너 구조체들을 연료전지 셀로부터 상대적으로 멀게 배치시킴으로써, 복합기능 구조체를 안정적으로 지지하면서도 연료전지 셀의 각 부위에 인가되는 하중의 편차를 감소시킬 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 프레임을 설명하기 위한 평면도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 연료전지용 프레임의 배면도이다.
도 2a는 도 1a에 도시된 절단선 A-A'을 따라 절단한 단면도이고, 도 2b는 도 1에 도시된 절단선 B-B'을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 변형방지 지지체들의 일 실시예를 설명하기 위한 부분 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 구조물을 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 인터커넥터를 설명하기 위한 평면도이다.
도 6은 복합기능 구조체들의 위치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 7a는 도 4에 도시된 집전체의 평면도이고, 도 7b는 도 7a에 도시된 절단선 D-D'을 따라 절단한 단면도이다.
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 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 프레임을 설명하기 위한 평면도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 연료전지용 프레임의 배면도이다. 그리고 도 2a는 도 1a에 도시된 절단선 A-A'을 따라 절단한 단면도이고, 도 2b는 도 1에 도시된 절단선 B-B'을 따라 절단한 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 프레임(100)은 연료전지 스택 구조물(도 4 참조)에서 평판형 연료전지 셀(도 4의 '1200' 참조)의 가장자리 부분을 지지하여 연료전지 스택 구조물의 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 상기 연료전지 스택 구조물의 조립성을 향상시킬 수 있다.
도 1a, 도 1b, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 프레임(100)은 프레임 본체(110) 및 복수의 변형방지 지지체(120)를 포함할 수 있다.
상기 프레임 본체(110)는 가운데 부분에 연료전지 셀의 전극을 노출시키는 채널용 개구(111)가 형성된 사각 프레임 구조를 가질 수 있다. 상기 채널용 개구(111)는 실질적으로 사각형 형태로 형성될 수 있다. 그리고 상기 프레임 본체(110)에는, 상기 채널용 개구(111)와 상기 프레임 본체(110)의 제1 가장자리 사이에 형성되고, 지지된 연료전지 셀의 전기화학적 반응을 위한 연료나 공기가 공급되는 공급 개구(112a) 및 상기 채널용 개구(111)와 상기 제1 가장자리와 대향하는 상기 프레임 본체(110)의 제2 가장자리 사이에 형성되고, 상기 공급 개구(112a)를 통해 공급된 연료나 가스가 배출되는 배출 개구(112b)가 형성될 수 있다. 상기 공급 개구(112a) 및 배출 개구(112b) 각각은 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 상기 프레임 본체(110)의 제1 및 제2 가장자리의 연장방향인 제1 방향(Y)으로 각각 연장되고 서로 이격된 2 이상의 홀을 포함하는 구조로 형성될 수도 있고, 이와 달리, 상기 제1 방향(Y)을 따라 길게 연장된 단일 홀의 구조로 형성될 수도 있다.
한편, 도 1a, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 프레임 본체(110)의 상부면은 상부 기준면 영역(110m) 및 상기 상부 기준면 영역(110m)에 비해 상기 프레임 본체(110) 내부로 함몰된 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)을 포함할 수 있고, 상기 상부 기준면 영역(110m)과 상기 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)의 경계에는 단차가 형성될 수 있다. 한편, 상기 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)은 상기 공급 개구(112a)로 공급된 연료 또는 공기가 상기 채널용 개구(111)로 용이하게 이동할 수 있도록 상기 프레임 본체(110)의 제1 가장자리에 인접한 상기 채널용 개구(111)의 제1 가장자리로부터 상기 공급 개구(112a)를 둘러싸도록 형성된 제1 유체이동 저면 영역(110n1) 및 상기 공급된 연료 또는 공기가 상기 채널용 개구(111)로부터 상기 배출 개구(112b)로 용이하게 이동할 수 있도록 상기 프레임 본체(110)의 제2 가장자리에 인접한 상기 채널용 개구(111)의 제2 가장자리로부터 상기 배출 개구(112b)를 둘러싸도록 형성된 제2 유체이동 저면 영역(110n2)을 포함할 수 있다. 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)과 상기 제2 유체이동 저면 영역(110n2)은 상기 채널용 개구(111)를 사이에 두고 서로 이격되고, 상기 채널용 개구(111)를 기준으로 서로 대칭된 구조를 가질 수 있다. 따라서 이하에서는 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)에 대해 주로 설명하고, 상기 제2 유체이동 저면 영역(110n2)에 대한 설명은 생략한다.
상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)은 도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 채널용 개구(111)의 제1 가장자리를 따라 길게 연장된 사각형 형상을 가질 수 있다. 상기 제1 방향(Y)에 따른 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)의 길이는 상기 채널용 개구(111)의 제1 가장자리의 길이, 즉, 상기 채널용 개구(111)의 상기 제1 방향(Y)으로의 폭보다 크거나 같을 수 있고, 상기 제1 방향(Y)에 수직한 제2 방향(X)에 따른 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)의 폭은 상기 채널용 개구(111)의 제1 가장자리로부터 상기 공급 개구(112a)의 전체 영역을 포함하는 최단 거리보다 크거나 같을 수 있다. 일 실시예로, 도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)의 길이는 상기 채널용 개구(111)의 상기 제1 방향(Y)으로의 폭보다 클 수 있고, 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)의 폭은 상기 채널용 개구(111)의 제1 가장자리로부터 상기 공급 개구(112a)의 전체 영역을 포함하는 최단 거리와 동일할 수 있다.
도 1b, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 프레임 본체(110)의 하부면은 하부 기준면 영역(110r) 및 상기 하부 기준면 영역(110r)에 비해 상기 프레임의 본체(110)의 내부로 함몰된 셀 지지면 영역(110s)을 포함할 수 있고, 상기 하부 기준면 영역(110r)과 상기 셀 지지면 영역(110s)의 경계에는 단차가 형성될 수 있다. 상기 셀 지지면 영역(110s)은 상기 채널용 개구(111)를 둘러싸도록 상기 채널용 개구(111)의 가장자리를 따라 일정한 폭으로 형성될 수 있다. 상기 셀 지지면 영역(110s)의 폭은 상기 채널용 개구(111)로부터 상기 공급 개구(112a)까지의 최단 거리보다 작을 수 있고, 그 결과 상기 셀 지지면 영역(110s)의 폭은 상기 제2 방향(X)에 따른 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)의 폭보다 작을 수 있다.
상기 복수의 변형방지 지지체(120a, 120b)는 상기 프레임 본체(110)의 상부면 중 상기 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)에 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 변형방지 지지체(120a, 120b)는 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)에 형성된 제1 변형방지 지지체들(120a) 및 상기 제2 유체이동 저면 영역(110n2)에 형성된 제2 변형방지 지지체들(120b)을 포함할 수 있다. 상기 제2 유체이동 저면 영역(110n2)에 형성된 상기 제2 변형방지 지지체들(120b)은 상기 채널용 개구(111)를 기준으로 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)에 형성된 상기 제1 변형방지 지지체들(120a)과 실질적으로 대칭인 구조를 가지므로, 이하에서는 상기 제1 변형방지 지지체들(120a)에 대해서 주로 설명하고 상기 제2 변형방지 지지체들(120b)에 대한 설명은 생략한다.
상기 제1 변형방지 지지체들(120a)은 상기 공급 개구(112a)와 상기 채널용 개구(111) 사이에 배치되고, 상기 제1 방향(Y)을 따라 일렬로 배열될 수 있다.
상기 제1 변형방지 지지체들(120a)은 상기 프레임 몸체(110)의 상부면 중 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)으로부터 돌출되도록 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)을 기준으로 한 상기 제1 변형방지 지지체들(120a)의 높이는 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)과 상기 상부 기준면 영역(110m)의 높이차와 유사할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 변형방지 지지체들(120a)의 높이는 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)과 상기 상부 기준면 영역(110m) 높이차의 약 80% 이상 120% 이하일 수 있다. 연료전지 스택 구조물(도 4의 '1000' 참조) 내에서, 상기 변형방지 지지체들(120a, 120b)은 외부 하중에 대해 인접하게 배치된 인터커넥터(도 4의 '1300' 참조)를 지지함으로써, 상기 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)과 상기 상부 기준면 영역(110m) 사이의 높이차에 의해 발생할 수 있는 상기 인터커넥터 및 다른 구성요소들에 변형을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 변형방지 지지체들(120a, 120b)의 높이가 상기 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)과 상기 상부 기준면 영역(110m) 높이차의 80% 미만인 경우, 상기 인터커넥터 및 다른 구성요소들의 변형 방지 기능을 수행할 수 없는 문제점이 발생할 수 있다. 그리고 상기 변형방지 지지체들(120a, 120b)의 높이가 상기 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)과 상기 상부 기준면 영역(110m) 높이차의 120%를 초과하는 경우, 상기 변형방지 지지체들(120a, 120b)의 상부면과 상기 상부 기준면 영역(110m) 사이의 높이차에 의해 상기 프레임 본체(110) 또는 인접한 구성요소들이 변형되는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 상기 변형방지 지지체들(120a, 120b) 각각은 상기 프레임 본체(110)의 하부면 중 하부 기준면 영역(110r) 상부에서부터 상기 셀 지지면 영역(110s) 상부까지 연장되도록 형성될 수 있다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 프레임 본체(110) 중 상기 셀 지지면 영역(110s)에 대응하는 부분과 상기 하부 기준면 영역(110r)에 대응하는 부분 사이에는 두께 차이가 존재하고, 이러한 두께 차이에 의해 상기 프레임 본체(110)에 외부 하중이 인가되는 경우 상기 프레임 본체(110)는 상기 하부 기준면 영역(110r)과 상기 셀 지지면 영역(110s)의 경계에서 휘어지는 변형이 발생할 수 있다. 하지만, 본 발명에서는, 상기 변형방지 지지체들(120a, 120b)을 상기와 같이 상기 하부 기준면 영역(110r)의 상부로부터 상기 셀 지지면 영역(110s)의 상부까지 연장되도록 형성함으로써, 상기 하부 기준면 영역(110r)과 상기 셀 지지면 영역(110s)의 경계에서 발생하는 상기 프레임 본체(110)의 변형을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 제1 변형방지 지지체들(120a)은 상기 공급 개구(112a)로부터 상기 채널용 개구(111) 방향으로 길게 연장된 타원 형상의 단면을 가질 수 있다. 예를 들면, 도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 제1 변형방지 지지체들(120a) 각각은 상기 제2 방향(X)에 평행한 장축 및 상기 제1 방향(Y)에 평행한 단축을 갖는 타원 형상의 단면을 가질 수 있다. 이와 같이, 상기 공급 개구(112a)와 상기 채널용 개구(111) 사이에 상기 제2 방향(X)에 평행한 장축을 갖는 타원 형상 단면의 제1 변형방지 지지체들(120a)을 형성하는 경우, 상기 공급 개구(112a)로 공급된 연료 또는 공기를 상기 채널용 개구(111) 전체 영역으로 균일하게 가이드할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 프레임(100)은 상기 프레임 본체(110)의 상부면 중 상기 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)에 형성된 가이드 돌기들(130a, 130b)을 더 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 구조물(1000)은 프레임(1100)과 인터커넥터(1300) 사이에 배치되어 상기 프레임(1100)의 변형방지 지지체들(1120a)과 함께 상기 프레임(1100)과 상기 인터커넥터(1300) 사이에 작용하는 하중의 분산, 상기 프레임(1100)과 상기 인터커넥터(1300)의 간격 유지 등의 기능을 하는 복합기능 구조체(1400)을 포함하는데, 상기 가이드 돌기들(130a, 130b; 도 4의 1130a)은 상기 복합기능 구조체(도 4의 '1400' 참조)의 측면을 지지하여 상기 복합기능 구조체가 유동하는 것을 방지할 수 있다.
상기 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)을 기준으로 한 상기 가이드 돌기들(130a, 130b) 각각의 높이는 상기 변형방지 지지체들(120a, 120b)의 높이보다 작거나 동일할 수 있다. 그리고 상기 가이드 돌기들(130a, 130b) 각각은 다양한 단면 형상을 가질 수 있는데, 일 예로, 상기 가이드 돌기들(130a, 130b) 각각은 원형의 단면 형상을 가질 수 있다.
일 실시예로, 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)에 형성된 제1 가이드 돌기들(130a)에 있어서, 상기 공급 개구(112a)가 서로 이격된 2 이상의 공급홀을 포함하는 경우, 상기 제1 가이드 돌기들(130a)은 상기 공급 개구(112)로부터 상기 채널용 개구(111)로 이동하는 연료 또는 공기의 흐름을 방해하지 않도록 인접한 공급홀들 사이에 대응하는 영역에 형성된 센터부 돌기들(130a1)을 포함할 수 있다.
상기 센터부 돌기들(130a1)은 격자 형태로 규칙적으로 배열될 수 있다. 예를 들면, 상기 센터부 돌기들(130a1)에 있어서, 3개 이상의 돌기들이 상기 제2 방향(X)을 따라 일렬로 배열된 돌기열을 2개 이상 포함하고, 인접한 돌기열들은 상기 제1 방향(Y)으로 일정 간격 이격되게 배치될 수 있다. 구체적으로, 인접한 제1 및 제2 돌기열에 있어서, 제1 돌기열에 포함된 2개의 인접한 돌기들과 이에 대응하는 제2 돌기열에 포함된 2개의 돌기들은 정사각형의 꼭지점 위치에 배치되도록 배열될 수 있다. 이 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 복합기능 구조체(도 4의 '1400a')의 단부는 정사각형 형태로 배열된 4개의 돌기들(도 4의 '1330a') 사이의 공간에 삽입되고, 상기 4개의 돌기들에 의해 측면이 지지될 수 있다. 따라서, 본 발명에서와 같이 상기 가이드 돌기들(130a, 130b)을 배열시키는 경우, 상기 복합기능 구조체(도 4의 '1400')가 삽입될 수 있는 공간이 복수로 형성되므로, 상기 복합기능 구조체(도 4의 '1400')의 위치를 변경시킬 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
한편, 상기 제1 가이드 돌기들(130a)은 도 1a에 도시된 바와 같이 공급 개구(112a)의 좌측 영역에 형성된 제1 가장자리부 돌기들(130a2) 및 우측 영역에 형성된 제2 가장자리부 돌기들(130a3)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 가장자리부 돌기들(130a2, 130a3) 각각은 상기 센터부 돌기들(130a1)과 동일한 구조 및 배치로 형성되므로 이에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
한편, 상기 제1 방향(Y)에 평행한 상기 프레임 본체(110)의 중심선을 기준으로, 상기 제2 유체이동 저면 영역(110n2)에 형성된 제2 가이드 돌기들(130b)은 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)에 형성된 제1 가이드 돌기들(130a)과 실질적으로 대칭되게 형성되므로 상기 제2 가이드 돌기들(130b)에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
이하 도 1a 및 도 3을 참조하여 변형방지 지지체들의 배열에 대해 상술한다.
도 1a 및 도 3을 참조하면, 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)에 형성된 제1 변형방지 지지체들(120a)에 있어서, 상기 공급 개구(112a)가 서로 이격된 제1 공급홀 및 제2 공급홀을 포함하는 경우, 상기 제1 및 제2 공급홀들 사이의 제1 영역에는 상기 가이드 돌기들(130a1)이 형성되고, 상기 제1 변형방지 지지체들(120a)은 상기 제1 공급홀과 상기 채널용 개구(111) 사이의 제2 영역 및 상기 제2 공급홀과 상기 채널용 개구(111) 사이의 제3 영역에 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1 변형방지 지지체들(120a)은 상기 제1 영역을 사이에 두고 서로 이격된 상기 제2 영역과 상기 제3 영역에 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 제2 영역에 형성된 제1 변형방지 지지체들(120a)은 모두 앞에서 설명한 바와 같이 상기 제2 방향(X)에 평행한 장축을 갖는 타원형 단면을 갖고, 상기 제1 방향(Y)을 따라 일렬로 배열되며, 서로 일정한 간격만큼 이격되도록 배치될 수 있다. 그리고 상기 제3 영역에 형성된 제1 변형방지 지지체들(120a) 역시 모두 상기 제2 방향(X)에 평행한 장축을 갖는 타원형 단면을 갖고, 상기 제1 방향(Y)을 따라 일렬로 배열되며, 서로 일정한 간격만큼 이격되도록 배치될 수 있다.
다만, 상기와 같이 제1 변형방지 지지체들(120a)을 형성하는 경우, 상기 제2 영역과 상기 제3 영역 사이에 상기 가이드 돌기들(130a1)이 형성된 제1 영역이 위치하므로, 상기 채널용 개구(111) 중 상기 제1 영역에 대응하는 부분에는 연료 또는 공기의 공급이 감소될 가능성이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 상기 제1 변형방지 지지체들(120a)을 도 3과 같이 형성할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제2 영역에 형성된 변형방지 지지체들(120a1, 120a2) 중 상기 제1 영역에 형성된 상기 가이드 돌기들(130a1)에 인접하게 배치된 변형방지 지지체(120a2)는 연료 또는 공기를 상기 제1 영역에 대응하는 상기 채널용 개구(111) 부분으로 유도하도록 상기 제2 방향(X)에 대해 양의 방향으로 경사진 장축을 갖는 타원형 단면을 가지도록 형성되고, 나머지 변형방지 지지체들(120a1)은 상기 제2 방향(X)에 평행한 장축을 갖는 타원형 단면을 가지도록 형성될 수 있다.
그리고 상기 제3 영역에 형성된 변형방지 지지체들(120a1, 120a3) 중 상기 제1 영역에 형성된 가이드 돌기들(130a1)에 인접하게 배치된 변형방지 지지체(120a3) 역시 연료 또는 공기를 상기 제1 영역에 대응하는 상기 채널용 개구(111) 부분으로 유도하도록 상기 제2 방향(X)에 대해 음의 방향으로 경사진 장축을 갖는 타원형 단면을 가지도록 형성되고, 나머지 변형방지 지지체들(120a1)는 상기 제2 방향(X)에 평행한 장축을 갖는 타원형 단면을 가지도록 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 제2 영역에 형성된 변형방지 지지체들(120a1, 120a2)과 상기 제3 영역에 형성된 변형방지 지지체들(120a, 120a3)은 상기 제2 방향(X)에 평행한 상기 제1 영역의 중심선을 기준으로 실질적으로 대칭인 구조로 형성될 수 있다. 이와 같이 변형방지 지지체들(120a1, 120a2, 120a3)을 형성하는 경우, 상기 채널용 개구(111)의 전체 영역에 균일하게 연료 또는 공기를 공급할 수 있다.
한편, 상기 제1 방향(Y)에 평행한 상기 프레임 본체(110)의 중심선을 기준으로, 상기 제2 유체이동 저면 영역(110n2)에 형성된 제2 변형방지 지지체들(120b)은 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)에 형성된 제1 변형방지 지지체들(120a)과 실질적으로 대칭되게 형성되므로 상기 제2 변형방지 지지체들(120b)에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 구조물을 설명하기 위한 부분 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 인터커넥터를 설명하기 위한 평면도이며, 도 6은 복합기능 구조체들의 위치를 설명하기 위한 평면도이다. 그리고 도 7a는 도 4에 도시된 집전체의 평면도이고, 도 7b는 도 7a에 도시된 절단선 D-D'을 따라 절단한 단면도이다.
도 4, 도 5, 도 6, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 구조물(1000)은 프레임(1100), 연료전지 셀(1200), 인터커넥터(1300), 복합기능 구조체(1400) 및 집전판(1500)을 포함할 수 있다.
상기 프레임(1100)은 도 1a, 도 1b, 도 2a, 도 2b 및 도 3을 참조하여 설명한 연료전지용 프레임(100)과 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
상기 연료전지 셀(1200)은 평판형 구조를 가질 수 있고, 상기 프레임(1100) 중 셀 지지면 영역(도 1b의 '110s' 참조) 상에 배치될 수 있다. 상기 연료전지 셀(1200)은 서로 대향하는 제1 전극층과 제2 전극층 및 이들 사이에 배치된 전해질층을 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 연료전지 셀(1200)은 상기 전해질층이 고체산화물로 형성된 고체산화물 연료전지 셀일 수 있다.
상기 연료전지 셀(1200)이 상기 프레임(1100)에 지지되는 경우, 상기 전해질층의 가장자리 부분이 상기 프레임(1100)의 셀 지지면 영역(도 1a의 '110s' 참조) 상에 배치되고, 상기 제1 전극층이 상기 프레임(1100)의 채널용 개구(도 1a의 '111' 참조)에 의해 노출될 수 있다.
상기 인터커넥터(1300)는 상기 프레임(1100) 및 상기 연료전지 셀(1200) 상부에 배치되고, 상기 집전체(1400)를 통해 상기 연료전지 셀(1200)의 제1 전극층과 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고 도면에 도시되진 않았지만, 상기 인터커넥터(1300)는 상기 인터커넥터(1300) 상부에 배치된 또 다른 연료전지 셀(미도시)의 제2 전극층과 전기적으로 연결될 수 있고, 그 결과, 상기 2개의 연료전지 셀은 상기 인터커넥터(1300)에 의해 서로 직렬 형태로 연결할 수 있다.
상기 인터커넥터(1300)는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 프레임(1100)의 공급 개구들(도 1a의 '112a' 참조, 이하 설명의 편의를 위해 '제1 공급 개구들'이라 함) 및 배출 개구들(도 1a의 '112b' 참조, 이하 설명의 편의를 위해 '제1 배출 개구들'이라 함)과 각각 연통하는 제2 공급 개구(1312a) 및 제2 배출 개구(1312b)가 형성된 플레이트 구조의 인터커넥트 본체(1310), 상기 프레임(1100)과 마주보는 상기 인터커넥트 본체(1310)의 하부면 중 상기 프레임(1100)의 채널용 개구에 대응하는 영역에 배치된 제1 채널격벽들(1320a) 및 상기 인터커네트 본체(1310)의 하부면으로부터 돌출되고 상기 프레임(1300)의 가이드 돌기들(1130, 이하 설명의 편의를 위해 '프레임 가이드 돌기들'이라 함)과 마주보는 인터커넥터 가이드 돌기들(1330a, 1330b)을 포함할 수 있다. 한편, 상기 인터커넥터(1300)는 상기 인터커넥트 본체(1310)의 상부면 중 상기 프레임(1100)의 채널용 개구(도 1의 '111' 참조)에 대응하는 영역에 배치된 제2 채널격벽들(1320b)을 더 포함할 수 있다.
상기 인터커넥트 본체(1310)는 도전성 물질, 예를 들면, 금속 물질로 형성될 수 있고, 상기 프레임(1100)과 동일 또는 유사한 형상 및 크기의 테두리를 갖는 사각 플레이트를 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 채널격벽들(1320a)은 상기 인터커넥트 본체(1310)의 하부면으로부터 상기 프레임(1100) 방향으로 돌출되도록 형성되고, 제2 방향(X)으로 길게 연장되며, 제1 방향(Y)으로 서로 일정 간격 이격되게 배열되어 연료 또는 공기가 흐를 수 있는 채널을 형성할 수 있다. 상기 제2 채널격벽들(1320b)는 상기 인터커넥트 본체(1310)의 상부면으로부터 돌출되도록 형성되고 상기 제1 채널격벽들(1320a)과 교차하는 방향으로 길게 연장될 수 있고, 서로 일정한 간격으로 이격되도록 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 채널격벽들(1320a, 1320b)은 상기 인터커넥트 본체(1310)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 채널격벽들(1320a, 1320b)는 상기 인터커넥트 본체(1310)와 일체로 형성될 수 있다.
상기 인터커넥터 가이드 돌기들(1330a, 1330b)은 상기 인터커넥트 본체(1310)의 하부면으로로부터 돌출되도록 형성될 수 있다. 상기 인터커넥터 가이드 돌기들(1330a, 1330b)은 상기 프레임에 형성된 프레임 가이드 돌기들(도 1a의 '130a', '130b' 참조)과 마주보도록 위치하고, 상기 프레임 가이드 돌기들(도 1a의 '130a', '130b' 참조)과 동일한 구조 및 배열을 가지도록 상기 인터커넥트 본체(1310)의 하부면 상에 형성될 수 있다. 따라서, 상기 인터커넥터 가이드 돌기들(1330a, 1330b)에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
상기 복합기능 구조체들(1400)은 상기 프레임(1100)과 상기 인터커넥트(1300) 사이에 배치되고, 상기 프레임(1100)의 변형방지 지지체들(도 1a의 '120a' 및 '120b' 참조)과 함께 상기 프레임(1100)과 상기 인터커넥트(1300)에 인가되는 하중을 지지할 수 있다.
상기 복합기능 구조체들(1400)은 상기 프레임 본체(110)의 상부면 중 제1 유체이동 저면 영역(도 1a의 '110n1' 참조)과 이에 대응하는 상기 인터커넥트 본체(1310) 부분 사이에 배치된 제1 복합기능 구조체들(1400a) 및 상기 프레임 본체(110)의 상부면 중 제2 유체이동 저면 영역(도 1a의 '110n2' 참조)과 이에 대응하는 상기 인터커넥트 본체(1310) 부분 사이에 배치된 제2 복합기능 구조체들(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 제1 방향(Y)에 평행한 상기 프레임(1100) 및 인터커넥터(1300)의 중심선을 기준으로, 상기 제2 복합기능 구조체들은 상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)과 실질적으로 대칭되게 배치된다는 것을 제외하고는 상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)과 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)에 대해 주로 설명하고, 상기 제2 복합기능 구조체들에 대한 설명은 생략한다.
상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)은 다양한 형상의 단면을 갖는 기둥 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 복합기능 구조체들(1400a) 각각은 원형의 단면 형상을 갖는 원기둥 구조를 가질 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)의 높이는 상기 프레임(1100)의 변형방지 지지체들(1120)의 높이와 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)의 하부 단부 및 상부 단부는 상기 프레임 본체(1110)의 상부면 중 상기 제1 유체이동 저면 영역(도 1a의 '110n1' 참조) 및 이에 대응하는 상기 인터커넥트 본체(1310)의 하부면에 의해 각각 지지될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)의 하부 단부 부분은 상기 프레임(1100)의 프레임 가이드 돌기들(1130a) 사이의 공간에 삽입되어 그 측면이 상기 프레임 가이드 돌기들(1130a)에 의해 지지될 수 있고, 상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)의 상부 단부 부분은 상기 인터커넥터(1300)의 인터커넥터 가이드 돌기들(1330a) 사이의 공간에 삽입되어 그 측면이 상기 인터커넥터 가이드 돌기들(1330a)에 의해 지지될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)은 상기 프레임 본체(1110) 상부면의 제1 유체이동 저면 영역(1110n1) 중 인접한 공급홀들(112a) 사이의 중앙 영역 상에 배치된 하나 이상의 센터 구조체(1400a1), 상기 제1 유체이동 저면 영역(1110n1) 중 상기 공급홀들의 우측 가장자리 영역 상에 배치된 제1 코너 구조체(1400a2) 및 상기 제1 유체이동 저면 영역(1110n1) 중 상기 공급홀들의 좌측 가장자리 영역 상에 배치된 제2 코너 구조체(1400a3)를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 프레임(1100)에 의해 지지되는 상기 연료전지 셀(1200)에 인가되는 하중 편차를 감소시키기 위하여, 상기 프레임 본체(1110)의 제1 가장자리로부터 상기 센터 구조체(1400a1)까지의 거리(D1)는 상기 프레임 본체(1110)의 제1 가장자리로부터 상기 제1 및 제2 코너 구조체(1400a2, 1400a3)까지의 거리(D2)보다 클 수 있다.
표 1은 복합기능 구조체의 위치에 따라 연료전지 셀 영역별 인가되는 하중을 측정한 결과이다. 표 1에 있어서, '복합기능 구조체의 위치' 값은 도 6의 제1 방향(X)에 평행한 기준선을 기준으로 측정된 복합기능 구조체들의 X축 방향의 상대적인 거리를 나타낸다. 예를 들면, '비교예'는 센터 구조체와 제1 및 제2 코너 구조체들을 상기 기준선 상에 배치한 경우이고, '실시예1 내지 실시예3'은 상기 비교예와 비교하여 센터 구조체는 '+X' 방향으로 표시 거리만큼 이동시키고 제1 및 제2 코너 구조체들은 '??X' 방향으로 표시 거리만큼 이동시킨 경우들이다.
도 6과 함께 표 1을 참조하면, 비교예에서는 연료전지 셀의 양쪽 코너 영역에 인가되는 하중과 이들 사이의 중간 영역에 인가되는 하중 사이의 편차가 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. 이에 반해, 실시예 1 내지 3에서는 상기 하중 편차가 크게 감소했음을 알 수 있다.
따라서, 센터 구조체를 연료전지 셀에 상대적으로 가깝게 위치시키고, 코너 구조체들을 연료전지 셀에서 상대적으로 멀게 위치시키는 경우, 상기 연료전지 셀의 각 부위에 인가되는 하중의 편차를 감소킬 수 있음을 알 수 있다.
하중
(%)		 복합기능 구조체 위치 연료전지 셀 영역별 하중 압력
편차
제1 코너
구조체		 센터
구조체		 제2 코너
구조체		 제1 코너 영역 중간 영역 제2 코너 영역
비교예 80 0 0 0 37.4 25.1 37.4 12.3
90 0 0 0 38.6 22.9 38.6 15.7
100 0 0 0 39.7 20.6 39.7 19.1
실시예1 80 -48 +15 -48 33.7 32.6 33.7 1.1
실시예2 90 -48 +17 -48 33.7 32.6 33.7 1.1
실시예3 100 -48 +19 -48 33.8 32.5 33.8 1.3
한편 이상에서는 상기 복합기능 구조체들(1400)이 상기 인터커넥터(1300)와 분리가능한 별도의 부재로 설명되었으나, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복합기능 구조체들(1400)은 상기 인터커넥터(1300)와 일체로 형성될 수도 있다. 이 경우, 상기 인터커넥터(1300)에는 상기 가이드 돌기들이 형성되지 않을 수 있다. 이와 같이, 상기 복합기능 구조체들(1400)을 상기 인터커넥터(1300)와 일체로 형성하는 경우, 상기 복합기능 구조체들(1400)의 단부가 상기 프레임(1100)의 가이드 돌기들(1130)에 의해 지지되므로, 연료전지 스택 구조물의 조립 과정이나 운전 과정에서 상기 인터커넥터(1300)가 상기 프레임(1100)에 대해 슬라이딩 이동하는 것을 방지할 수 있다.
상기 집전체(1500)는 상기 연료전지 셀(1200)과 상기 인터커넥터(1300) 사이에 배치되어 이들을 전기적으로 연결한다. 상기 집전체(1400)는 상기 프레임(1100)의 채널용 개구(1111) 내부에 배치될 수 있고, 도전성 물질, 예를 들면, 금속 물질로 형성될 수 있다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 집전체(1500)는 모서리 부분이 라운딩 처리된 사각형 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 집전체(1500)는 도 7a에 도시된 바와 같이 모서리 부분의 평면뿐만 아니라 단면까지 라운딩 처리될 수 있다. 상기 집전체(1500)의 모서리 부분을 라운드지게 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 상기 집전체(1500)는 일반적으로 금속 물질로 형성되므로, 제조 과정에서 모서리 부분에 대해 다른 부분들이 전체적으로 미세하게 돌출 또는 함몰되게 형성될 가능성이 높다. 이와 같은 집전판(1500)을 이용하는 경우, 상기 집전체(1500)에 의해 직접 가압되는 연료전지 셀(1200)의 전극층에 크랙이 발생할 가능성이 있다. 본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 상기 집전체(1500)의 모서리 부분을 평면 뿐만 아니라 단면까지 라운딩 처리할 수 있다.
한편, 도면에 도시되진 않았지만, 상기 연료전지 셀(1200)에 있어서도 전극층에 의해 노출되는 전해질층의 모서리 부분을 상기 집전체(1500)와 동일하게 라운딩 처리할 수도 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 프레임의 유체이동 저면 영역에 변형방지 지지체들을 형성함으로써 연료 또는 공기의 균일한 흐름을 유도할 수 있을 뿐만 아니라 유체이동 저면 영역과 상부 기준면 영역 사이의 높이차에 의해 발생할 수 있는 인터커넥터 등의 변형을 방지할 수 있고, 또한 하부 기준면 영역과 셀 지지 영역 사이의 두께차에 의해 발생될 수 있는 프레임 자체의 변형도 방지할 수 있다.
또한, 복합기능 구조체의 위치에 따라 연료전지 스택 구조물 내에서 연료전지 셀의 각 부위별 인가되는 하중에 편차가 발생하게 되는데, 본 발명에서는 프레임에 상기 복합기능 구조체를 지지하기 위한 가이드 돌기들을 앞에서 설명한 바에 따라 형성하고 상기 복합기능 구조체 중 센터 구조체를 연료전지 셀에 상대적으로 가깝게 배치시키고 코너 구조체들을 연료전지 셀로부터 상대적으로 멀게 배치시킴으로써 복합기능 구조체를 안정적으로 지지하면서도 연료전지 셀의 각 부위에 인가되는 하중의 편차를 감소시킬 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.
100, 1100 : 프레임 110 : 프레임 본체
120, 1120 : 변형방지 지지체 130, 1130 : 가이드 돌기
1000 : 연료전지 스택 구조물 1200 : 연료전지 셀
1300 : 인터커넥터 1310 : 인터커넥트 본체
1320 : 채널격벽 1400 : 복합기능 구조체
1500 : 집전체

Claims (12)

  1. 채널용 개구와 상기 채널용 개구를 사이에 두고 서로 이격된 공급 개구 및 배출 개구가 형성된 프레임 본체; 및상기 프레임 본체의 상부면 중 상기 채널용 개구와 상기 공급 개구 사이의 제1 영역 및 상기 채널용 개구와 상기 배출 개구 사이의 제2 영역으로부터 돌출되도록 형성되고, 장축과 단축을 갖는 타원형 단면 형상을 갖는 복수의 변형방지 지지체들을 포함하고,
    상기 프레임 본체의 상부면은 상부 기준면 영역 및 상기 기준면 영역에 비해 상기 프레임 본체 내부로 함몰되고 상기 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 유체이동 저면 영역을 구비하고,
    상기 프레임 본체의 하부면은 하부 기준면 영역 및 상기 채널용 개구의 가장자리를 따라 형성되고 상기 하부 기준면 영역에 비해 상기 프레임 본체 내부로 함몰된 셀지지 영역을 구비하며,
    상기 변형방지 지지체들은 상기 하부 기준면 영역 상부에서 상기 셀 지지 영역 상부까지 연장되도록 형성된 것을 특징으로 하는, 연료전지용 프레임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변형방지 지지체들의 장축은 상기 공급 개구로부터 상기 배출 개구를 향하는 제1 방향에 평행하고,
    상기 제1 영역에 형성된 변형방지 지지체들 및 상기 제2 영역에 형성된 변형방지 지지체들은 각각 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 일렬로 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 변형방지 지지체들의 돌출 높이는 상기 상부 기준면 영역과 상기 유체이동 저면 영역의 높이차의 80% 이상 120% 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유체이동 저면 영역으로부터 돌출되도록 형성되고, 격자 형태로 규칙적으로 배치된 가이드 돌기들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공급 개구는 서로 이격된 제1 공급홀 및 제2 공급홀을 포함하고,
    상기 제1 영역은 상기 제1 공급홀과 상기 채널용 개구 사이에 위치하는 제3 영역, 상기 제2 공급홀과 상기 채널용 개구 사이에 위치하는 제4 영역 및 상기 제3 영역과 상기 제4 영역 사이에 위치하여 상기 제1 공급홀과 상기 제2 공급홀의 사이 영역에 대응하는 제5 영역을 포함하고,
    상기 제1 영역에 형성된 상기 변형방지 지지체들은 상기 제3 영역과 상기 제4 영역에 형성되며,
    상기 가이드 돌기들 중 적어도 일부는 상기 제5 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 영역에 형성된 변형방지 지지체들 중 상기 제5 영역에 인접하게 배치된 적어도 일부는 나머지 변형방지 지지체들의 장축 방향에 비해 상기 제5 영역 방향으로 경사진 장축을 갖고,
    상기 제4 영역에 형성된 변형방지 지지체들 중 상기 제5 영역에 인접하게 배치된 적어도 일부는 나머지 변형방지 지지체들의 장축 방향에 비해 상기 제5 영역 방향으로 경사진 장축을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임.
  9. 전해질층, 상기 전해질층의 상부면과 하부면에 각각 형성된 상부 전극층 및 하부 전극층을 포함하는 연료전지 셀;
    상기 연료전지 셀의 상부에 배치된 프레임;
    상기 프레임의 상부에 배치된 인터커넥터; 및
    상기 프레임 본체와 이에 대응하는 상기 인터커넥터 부분 사이에 배치된 복합기능 구조체를 포함하고,
    상기 프레임은, 상기 상부 전극층을 노출시키는 채널용 개구 및 상기 채널용 개구를 사이에 두고 서로 이격된 공급 개구와 배출 개구가 형성된 프레임 본체; 상기 프레임의 상부면 중 상기 채널용 개구와 상기 공급 개구 사이의 제1 영역 및 상기 채널용 개구와 상기 배출 개구 사이의 제2 영역으로부터 상기 인터커넥터 방향으로 돌출되도록 형성되고, 장축과 단축을 갖는 타원형 단면 형상을 갖는 복수의 변형방지 지지체들을 포함하고,
    상기 복합기능 구조체는 상부 기준면 영역 및 상기 기준면 영역에 비해 상기 프레임 본체 내부로 함몰되고 상기 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 유체이동 저면 영역을 구비하는 상기 프레임 본체의 상부면 중 상기 유체이동 저면 영역과 이에 대응하는 상기 인터커넥터 부분 사이에 배치되며,
    상기 프레임은 상기 프레임 본체의 상부면 중 상기 유체이동 저면 영역으로부터 상기 인터커넥터 방향으로 돌출되어 상기 복합기능 구조체의 측면을 지지하는 복수의 가이드 돌기들 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조물.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 가이드 돌기의 높이는 상기 변형방지 지지체들의 높이보다 작거나 같고,
    상기 복합기능 구조체의 높이는 상기 변형방지 지지체들의 높이와 동일한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조물.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 채널용 개구에 삽입되고, 상기 인터커넥터와 상기 연료전지 셀의 상부 전극층을 전기적으로 연결하며, 모서리가 라운드진 사각 플레이트 구조의 집전체를 더 포함하고,
    상기 집전체 모서리의 측면 가장자리 부분은 라운드진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조물.
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