KR102529939B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR102529939B1
KR102529939B1 KR1020230025715A KR20230025715A KR102529939B1 KR 102529939 B1 KR102529939 B1 KR 102529939B1 KR 1020230025715 A KR1020230025715 A KR 1020230025715A KR 20230025715 A KR20230025715 A KR 20230025715A KR 102529939 B1 KR102529939 B1 KR 102529939B1
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정강식
최성호
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주식회사 미코파워
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Abstract

연료전지 시스템이 개시된다. 연료전지 시스템은 외부로 돌출된 집전 패드를 구비하는 연료전지 스택; 및 상기 집전 패드를 외부 회로와 전기적으로 연결하기 위한 집전 구조체;를 구비한다. 그리고 상기 집전 구조체는, 상기 집전 패드의 하부면과 접촉하는 하부 컨택부; 상기 집전 패드의 상부면과 접촉하는 상부 컨택부; 및 상기 하부 컨택부와 상기 상부 컨택부를 결합시키는 체결부;를 구비한다.

Description

연료전지 시스템{HYBRID POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 수소 함유 연료가스 및 산소 함유 공기를 이용하여 전력을 생성할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소의 반응을 이용하여 전기를 생성한다. 이러한 연료전지는 일반적으로 고출력을 위해 복수의 연료전지 셀을 적층한 연료전지 스택을 복수개 연결하여 사용된다.
특히, 발전 용량을 증가시키기 우해, 집전 구조체를 통해 복수개의 연료전지 스택들을 병렬로 연결하여 연료전지 시스템을 구성하는 기술이 주로 적용되고 있다.
다만, 고온 연료전지 시스템의 경우, 집전 구조체 및 집전 패드를 고온 내구성이 있는 재료로 형성하므로, 연료전지 시스템의 발전 효율을 향상시키고, 연료전지 스택들의 열화를 방지하기 위해, 복수의 연료전지 스택들 각각에 대한 집전 구조체와 집전 패드의 접촉 면적을 일정하게 조절하는 것이 요구된다.
본 발명의 목적은 집전 패드의 하부면 및 상부면 모두와 접촉하는 집전 구조체를 이용하여 연료전지 스택과 외부 회로를 전기적으로 연결할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 외부로 돌출된 집전 패드를 구비하는 연료전지 스택; 및 상기 집전 패드를 외부 회로와 전기적으로 연결하기 위한 집전 구조체;를 포함하고, 상기 집전 구조체는, 상기 집전 패드의 하부면과 접촉하는 하부 컨택부; 상기 집전 패드의 상부면과 접촉하는 상부 컨택부; 및 상기 하부 컨택부와 상기 상부 컨택부를 결합시키는 체결부;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 하부 컨택부는, 상기 상부 컨택부의 하부면을 지지하고 이와 밀착 배치되는 제1 플레이트부; 및 상기 제1 플레이트부의 일 모서리로부터 상기 집전 패드의 돌출 방향을 따라 연장되고, 상기 제1 플레이트부보다 작은 두께를 가지며, 상기 집전 패드의 하부면과 접촉하는 제2 플레이트부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플레이트부와 상기 제2 플레이트부의 경계부에 형성된 단차의 높이는 상기 집전 패드의 두께의 100 내지 120%일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플레이트부에는 제1 체결구가 형성되고, 상기 제2 플레이트부에는 상기 집전 패드를 사이에 두고 서로 이격된 2개의 제2 체결구가 형성되고, 상기 상부 컨택부에는 상기 제1 체결구에 대응되는 제3 체결구 및 상기 2개의 제2 체결구에 각각 대응되는 2개의 제4 체결구가 형성되며, 상기 체결부는 상기 제1 체결구와 상기 제3 체결구를 관통하는 제1 볼트, 상기 제2 체결구와 상기 제4 체결구를 관통하는 2개의 제2 볼트를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 체결구는 상기 집전 패드의 돌출 방향에 평행한 제1 방향으로의 폭이 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로의 폭보다 작고, 상기 제4 체결구 각각의 상기 제1 방향으로의 폭은 상기 제2 방향으로의 폭보다 클 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 체결구의 상기 제2 방향으로의 폭은 상기 제1 방향으로의 폭의 150 내지 300%이고, 상기 제4 체결구의 상기 제1 방향으로의 폭은 상기 제2 방향으로의 폭의 150 내지 300%일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 집전 구조체는 상기 상부 컨택부 상에 배치되는 브라켓 구조물을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 브라켓 구조물의 바닥면에는 상기 2개의 제2 볼트가 삽입되어 고정되는 체결홈이 형성될 수 있다.
본 발명의 연료전지 시스템에 따르면, 집전 패드의 하부면 및 상부면 모두와 접촉하는 집전 구조체를 이용하여 연료전지 스택과 외부 회로를 전기적으로 연결하므로, 복수의 연료전지 스택을 병렬로 연결하는 경우에도 연료전지 스택별로 접촉면적의 편차를 감소시킬 수 있고, 그 결과 연료전지 시스템의 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 연료전지 스택의 열화를 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시된 제1 및 제2 집전 구조체의 일 실시예를 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 도 1에 도시된 제1 및 제2 집전 구조체의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
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 실시 예들을 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 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 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, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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 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 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시된 제1 및 제2 집전 구조체의 일 실시예를 설명하기 위한 도면들이다. 도 2b는 도 2a에 도시된 제1 및 제2 집전 구조체 각각의 하부 플레이트부의 평면도 및 단면도를 나타내고, 도 2c는 도 2a에 도시된 제1 및 제2 집전 구조체 각각의 상부 플레이트부의 평면도 및 단면도를 나타낸다.
도 1, 도 2a, 도 2b 및 도 2c를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(1000)은 연료전지 스택(1100), 제1 집전 구조체(1200) 및 제2 집전 구조체(1300)를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 스택들(1100)은 서로 이격되게 배치된 상부 엔드 플레이트(1120)와 하부 엔드 플레이트(1130) 그리고 이들 사이에 배치되고 복수의 연료전지 단전지들이 적층된 단전지 적층체(1110)를 포함할 수 있다.
상기 단전지 적층체(1110)는 제3 방향(Z)으로 적층된 복수의 단전지들 및 상기 단전지들 사이에 각각 배치되어 상기 단전지들을 직렬로 연결하는 복수의 분리판을 포함할 수 있다.
상기 단전지들 각각은 전해질층 및 이의 양측에 각각 배치된 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 구조를 가질 수 있고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 하나는 애노드 전극이고 나머지 하나는 캐소드 전극일 수 있다. 상기 단전지는 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 용융 탄산염 연료전지(MCFC) 등으로부터 선택된 하나의 평판형 단전지일 수 있다.
상기 분리판은 전기 전도성 재질로 형성되고, 인접한 2개의 단전지들 사이에 배치되어 하부 단전지의 제1 전극과 상부 단전지의 제2 전극을 전기적으로 연결할 수 있다. 상기 분리판들에 의해, 하나의 연료전지 스택 내에 위치하는 복수의 단전지들은 직렬로 연결될 수 있다.
상기 상부 엔드 플레이트(1120) 및 상기 하부 엔드 플레이트(1130)는 상기 단전지 적층체(1110)의 상부 및 하부에 각각 배치될 수 있고, 전기 전도성 재료, 예를 들면, 금속 재료로 형성될 수 있다. 상기 상부 엔드 플레이트(1120)는 상기 단전지 적층체(1110) 중 최상부 단전지의 제1 전극과 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 연료전지 스택(1100) 외부로 노출된 제1 집전 패드(1121)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 하부 엔드 플레이트(1130)는 상기 단전지 적층체(1110) 중 최하부 단전지의 제2 전극과 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 연료전지 스택(1100) 외부로 노출된 제2 집전 패드(1131)를 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 연료전지 스택(1100)에 있어서, 상기 제1 집전 패드(1121)와 상기 제2 집전 패드(1131)는 서로 동일한 제1 방향(X)으로 돌출되어 서로 이격된 상태에서 마주보게 배치되도록 형성될 수 있다.
상기 제1 집전 구조체(1200) 및 상기 제2 집전 구조체(1300)는 상기 연료전지 스택(1100)의 제1 집전 패드(1121) 및 제2 집전 패드(1131)를 로드(Load) 또는 전력변환장치 등과 같은 외부 회로(미도시)에 전기적으로 연결할 수 있고, 이를 위해, 상기 제1 및 제2 집전 구조체(1200, 1300)는 전기 전도성 재료로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 집전 구조체(1200)는 제1 하부 컨택부(1210), 제1 상부 컨택부(1220) 및 제1 체결부(1230)를 포함할 수 있다.
상기 제1 하부 컨택부(1210)는 상기 제1 집전 패드(1121)의 하부면과 접촉하는 플레이트 구조를 가질 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 하부 컨택부(1210)는 상기 제1 상부 컨택부(1220)의 하부면을 지지하고 이와 밀착 배치되는 제1 플레이트부(1211) 및 상기 제1 플레이트부(1211)의 제2 방향(Y)에 따른 모서리로부터 제1 방향(X)으로 연장되고, 상기 제1 플레이트부(1211)보다 작은 두께를 가져서 경계부에 단차를 형성하며, 상기 제1 집전 패드(1121)의 하부면을 지지하고 이와 접촉하는 제2 플레이트부(1212)를 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 플레이트부(1211)와 상기 제2 플레이트부(1212) 사이의 단차의 높이는 상기 제1 집전 패드(1121)의 상기 제3 방향(Z)으로의 두께의 약 100 내지 120%일 수 있다. 상기 단차의 높이가 상기 제1 집전 패드(1121)의 두께의 100% 초과인 경우, 상기 제1 집전 패드(1121)와 상기 제1 하부 컨택부(1210) 및 상기 제1 상부 컨택부(1220) 사이에 도전성 페이스트 등이 도포될 수 있다. 상기 제1 플레이트부(1211) 및 상기 제2 플레이트부(1212)는 몰드 또는 절삭가공 등에 의해 일체로 형성될 수 있고, 전기 전도성 재료로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플레이트부(1121)에는 상기 제2 플레이트부(1212)와 결합하기 위한 제1 체결구(1211a)가 형성될 수 있고, 상기 제2 플레이트부(1212)에는 상기 제1 집전 패드(1121)를 사이에 두고 상기 제2 방향(Y)으로 서로 이격되게 형성되고, 상기 제2 플레이트부(1212)와 결합하기 위한 2개의 제2 체결구(1212a, 1212b)가 형성될 수 있다.
상기 제1 상부 컨택부(1220)는 상기 제1 하부 컨택부(1210)의 상부에 배치되고, 상기 제1 집전 패드(1121)의 상부면과 접촉하는 플레이트 구조를 가질 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 상부 컨택부(1220)는 상기 제1 하부 컨택부(1210)와 동일 또는 유사한 면적의 플레이트 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 상부 컨택부(1220)에는 상기 제1 하부 컨택부(1210)의 제1 체결구(1211a)에 대응되는 제3 체결구(1220a) 및 상기 제1 하부 컨택부(1210)의 상기 2개의 제2 체결구(1212a, 1212b)에 각각 대응되는 2개의 제4 체결구(1220b, 1220c)가 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 하부 컨택부(1210) 및 상기 제1 상부 컨택부(1220) 사이의 체결의 용이성을 향상시키고, 상기 제1 집전 패드(1121)와 상기 제1 하부 컨택부(1210) 및 상기 제1 상부 컨택부(1220) 사이의 전체 접촉 면적을 증가시키기 위해, 상기 제3 체결구(1220a)는 상기 제1 방향(X)으로의 폭보다 상기 제2 방향(Y)으로의 폭이 더 큰 구조로 형성될 수 있고, 상기 제4 체결구(1220b)는 상기 제2 방향(Y)으로의 폭보다 상기 제1 방향(X)으로의 폭이 더 큰 구조로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제3 체결구(1220a)의 상기 제2 방향(Y)으로의 폭은 상기 제1 방향(X)으로의 폭의 약 150 내지 300%일 수 있고, 상기 제4 체결구(1220b)의 상기 제1 방향(X)으로의 폭은 상기 제2 방향(Y)으로의 폭의 약 150 내지 300%일 수 있다.
상기 제1 체결부(1230)는 상기 제1 하부 컨택부(1210)의 제1 체결구(1211a)와 상기 제1 상부 컨택부(1220)의 제3 체결구(1220a)를 관통하는 제1 볼트, 상기 제1 하부 컨택부(1210)의 제2 체결구(1212a, 1212b)와 상기 제1 상부 컨택부(1220)의 제4 체결구(1220b, 1220c)를 관통하는 2개의 제2 볼트를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제3 체결구(1220a)는 상기 제2 방향(Y)으로 길게 연장된 형상을 갖고, 상기 제4 체결구(1220b, 1220c)는 상기 제1 방향(X)으로 길게 연장된 형상을 가지므로, 상기 제1 하부 컨택부(1210)와 상기 제1 상부 컨택부(1220) 사이의 정확인 얼라인먼트가 요구되지 않아서, 상기 제1 하부 컨택부(1210)와 상기 제1 상부 컨택부(1220)의 체결 공정을 용이하게 수행할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 집전 구조체(1300)는 제2 하부 컨택부(1310), 제2 상부 컨택부(1320) 및 제2 체결부(1330)를 포함할 수 있다.
상기 제2 하부 컨택부(1310), 상기 제2 상부 컨택부(1320) 및 상기 제2 체결부(1330)의 형상 및 구조는 상기 제1 하부 컨택부(1210), 상기 제1 상부 컨택부(1220) 및 상기 제1 체결부(1230)와 각각 서로 동일 또는 유사하므로, 이들에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 도 1에 도시된 제1 및 제2 집전 구조체의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1, 도 2a 내지 도 2c와 함께 도 3을 참조하면, 상기 제1 및 제2 집전 구조체(1200, 1300) 각각은 상기 상부 컨택부(1220, 1320) 상에 배치되는 브라켓 구조물(1240, 1340)을 더 포함할 수 있다.
상기 브라켓 구조물(1240, 1340)은 상기 집전 패드(1121, 1131) 상에 배치되어 상기 상부 컨택부(1220, 1320)에 하중을 인가함으로써, 상기 상부 컨택부(1220, 1320)와 상기 집전 패드(1121, 1131)의 접촉 면적 및 상기 하부 컨택부(1210, 1310)와 상기 집전 패드(1121, 1131)의 접촉 면적을 더욱 증가시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 브라켓 구조물(1240, 1340)은 직육면체, 원기둥 등의 형상을 가질 수 있고, 바닥면에는 상기 체결부(1230, 1330)의 볼트가 삽입되어 고정될 수 있는 체결홈이 형성될 수 있다. 한편, 상기 브라켓 구조물(1240, 1340)은 전기 전도성 재료로 형성될 필요는 없고, 금속, 합금, 세라믹 등의 상대적으로 밀도가 높은 재료로 형성될 수 있다.
본 발명의 연료전지 시스템에 따르면, 집전 패드의 하부면 및 상부면 모두와 접촉하는 집전 구조체를 이용하여 연료전지 스택과 외부 회로를 전기적으로 연결하므로, 복수의 연료전지 스택을 병렬로 연결하는 경우에도 연료전지 스택별로 접촉면적의 편차를 감소시킬 수 있고, 그 결과 연료전지 시스템의 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 연료전지 스택의 열화를 저감시킬 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.
1000: 연료전지 시스템 1100: 연료전지 스택
1200: 제1 집전 구조체 1300: 제2 집전 구조체

Claims (8)

  1. 외부로 돌출된 집전 패드를 구비하는 연료전지 스택; 및
    상기 집전 패드를 외부 회로와 전기적으로 연결하기 위한 집전 구조체;를 포함하고,
    상기 집전 구조체는,
    상기 집전 패드의 하부면과 접촉하는 하부 컨택부;
    상기 집전 패드의 상부면과 접촉하는 상부 컨택부; 및
    상기 하부 컨택부와 상기 상부 컨택부를 결합시키는 체결부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부 컨택부는, 상기 상부 컨택부의 하부면을 지지하고 이와 밀착 배치되는 제1 플레이트부; 및 상기 제1 플레이트부의 일 모서리로부터 상기 집전 패드의 돌출 방향을 따라 연장되고, 상기 제1 플레이트부보다 작은 두께를 가지며, 상기 집전 패드의 하부면과 접촉하는 제2 플레이트부를 포함하는, 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 플레이트부와 상기 제2 플레이트부의 경계부에 형성된 단차의 높이는 상기 집전 패드의 두께의 100 내지 120%인 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 플레이트부에는 제1 체결구가 형성되고,
    상기 제2 플레이트부에는 상기 집전 패드를 사이에 두고 서로 이격된 2개의 제2 체결구가 형성되고,
    상기 상부 컨택부에는 상기 제1 체결구에 대응되는 제3 체결구 및 상기 2개의 제2 체결구에 각각 대응되는 2개의 제4 체결구가 형성되며,
    상기 체결부는 상기 제1 체결구와 상기 제3 체결구를 관통하는 제1 볼트, 상기 제2 체결구와 상기 제4 체결구를 관통하는 2개의 제2 볼트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 체결구는 상기 집전 패드의 돌출 방향에 평행한 제1 방향으로의 폭이 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로의 폭보다 작고,
    상기 제4 체결구 각각의 상기 제1 방향으로의 폭은 상기 제2 방향으로의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 체결구의 상기 제2 방향으로의 폭은 상기 제1 방향으로의 폭의 150 내지 300%이고,
    상기 제4 체결구의 상기 제1 방향으로의 폭은 상기 제2 방향으로의 폭의 150 내지 300%인 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 집전 구조체는 상기 상부 컨택부 상에 배치되는 브라켓 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 브라켓 구조물의 바닥면에는 상기 2개의 제2 볼트가 삽입되어 고정되는 체결홈이 형성된 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
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JP2016081667A (ja) * 2014-10-15 2016-05-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用集電板、燃料電池スタック、燃料電池システム、および燃料電池システムの製造方法
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