KR102533381B1 - 연료전지 스택 - Google Patents

연료전지 스택 Download PDF

Info

Publication number
KR102533381B1
KR102533381B1 KR1020180054276A KR20180054276A KR102533381B1 KR 102533381 B1 KR102533381 B1 KR 102533381B1 KR 1020180054276 A KR1020180054276 A KR 1020180054276A KR 20180054276 A KR20180054276 A KR 20180054276A KR 102533381 B1 KR102533381 B1 KR 102533381B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
interconnector
disposed
cell stack
stack
Prior art date
Application number
KR1020180054276A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190129513A (ko
Inventor
김대환
최광욱
박상현
박선영
신철주
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020180054276A priority Critical patent/KR102533381B1/ko
Publication of KR20190129513A publication Critical patent/KR20190129513A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102533381B1 publication Critical patent/KR102533381B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로써, 인터커넥터(interconnect)의 중앙에 중앙 스페이서(center spacer)가 배치되어 스택의 층간 두께가 일정하게 유지됨으로써 스택의 층간 면압을 동일하게 유지시킬 수 있고, 이로 인해 연료전지의 내구성 및 안정성이 향상될 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.

Description

연료전지 스택 {FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로써, 인터커넥터(interconnect)의 중앙에 중앙 스페이서(center spacer)가 배치되어 스택의 층간 두께가 일정하게 유지됨으로써 스택의 층간 면압을 동일하게 유지시킬 수 있고, 이로 인해 연료전지의 내구성 및 안정성이 향상될 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.
최근, 대체에너지에 대한 관심이 높아지면서 이러한 대체에너지의 하나로 연료전지가 주목받고 있으며, 특히 고효율이고, 연료에서 공해물질이 배출되지 않는다는 장점으로 활발하게 연구가 진행되고 있다.
일반적으로 연료전지의 단위 셀은 전해질 양면에 각각 공기극 및 연료극을 형성하여 연료극은 애노드(anode), 그리고 공기극(cathode)은 캐소드로 구성되고 연료극에 연료를 공급해주면 연료가 산화되어 전자가 외부회로를 통해 방출되며, 공기극에 산소를 공급해주면 외부회로로부터 전자를 받아서 산소이온으로 환원된다. 이처럼 환원된 산소이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 산화된 연료와 반응하여 물을 생성한다.
이러한, 단위 셀 중 고체산화물 단위 셀의 단전지들을 연결하여 고용량화 시킨 것을 스택(stack)이라고 하며, 이를 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)로 이용하고 있다.
여기서, 연료전지는 목표 전력 출력을 위해 수십 장에서 수백 장의 단위 셀을 적층해 직렬 연결하고, 특히 평판형 연료전지의 경우 단위 셀을 수직으로 적층하여 연료전지의 목표 전력 출력을 도달하고 있다.
이때, 연료전지의 스택 층간의 고른 면압 분포는, 연료전지의 스택 성능과 내구성에 직접적인 영향을 미치고, 나아가 연료전지의 목표 전력 출력에도 영향을 미치는 중요한 요소이다.
이에 종래의 스택 구조의 경우, 스택 구조의 내부에 일정한 공간을 유지시키기 위해 분리판과 단위 셀 사이에 스페이서를 배치함으로써 스택 구조 내부 공간의 목표 두께를 확보하고, 이로 인해 연료 전지의 안정적인 전력 출력이 가능하도록 하였다.
그러나, 이러한 종래의 스택 구조의 경우, 단위 셀 외곽에만 스페이서가 위치하기 때문에 분리판의 크기가 커짐에 따라 스택 구조의 내부 공간이 변형되면서 스택 층간의 두께가 변형된다는 문제점을 가지고 있었고, 이로 인해 연료 전지의 내구성이 저하된다는 문제점을 가지고 있었다.
또한, 이러한 종래의 스택 구조의 경우, 스택의 승온 과정 중 실링재가 연화되면서 하중이 스택의 중심부로 집중되기 때문에 스택의 단위 셀 및 집전체의 하중 변형이 일어난다는 문제점이 있었고, 특히 스택의 층간 동일한 면압을 유지가 어려워 연료전지의 성능이 떨어진다는 문제점을 가지고 있었다.
한국공개특허 10-2015-0001402호
본 발명의 목적은, 제1 및 2 인터커넥터의 중앙부 및 외곽에 제1 및 2 중앙 스페이서와 외곽 스페이서가 각각 배치됨으로써 스택 구조의 내부 공간이 확보되면서 스택 층간 두께가 일정하게 유지될 수 있고, 이로 인해 연료전지의 안정성이 향상될 수 있는 연료전지 스택을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 일 실시예에 따른 본 발명의 목적은, 제1 및 2 인터커넥터의 중앙부에 제1 및 2 중앙 스페이서가 각각 배치되어 스택 구조의 층간 면압이 동일하게 유지됨으로써 스택의 내구성이 향상될 수 있고, 연료전지의 파손이 방지될 수 있는 연료전지 스택을 제공하고자 하는 것이다.
특히, 일 실시예에 따른 본 발명의 목적은, 스택 구조 내부에 제1 및 2 중앙 스페이서와 외곽 스페이서가 배치되어 단위 셀 및 집전체의 하중 변형이 방지됨으로써 연료전지의 성능 및 수명이 향상될 수 있는 연료전지 스택을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 스택은, 단위 셀, 상기 단위 셀의 양측에 배치되는 양극 및 음극 집전체, 상기 양극 및 음극 집전체의 일측에 각각 배치되는 제1 및 2 인터커넥터(interconnect), 상기 제1 및 2 인터커넥터의 가장자리에서 상기 단위 셀의 측면을 지지하는 윈도우프레임(window-frame), 상기 제1 및 2 인터커넥터의 중앙에 각각 배치되는 제1 및 2 중앙 스페이서(center spacer) 및 상기 제2 인터커넥터의 가장자리 둘레에 배치되는 복수 개의 외곽 스페이서(outside spacer)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 및 2 중앙 스페이서는, 상기 양극 및 음극 집전체와 각각 접하도록 배치되고, 세라믹, 마이카, 실리콘 및 고무 중 하나의 소재로 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 외곽 스페이서는, 상기 윈도우프레임과 접하도록 배치되고, 상기 제2 인터커넥터 및 상기 윈도우프레임 사이의 간격을 균일하게 유지시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 외곽 스페이서는, 상기 제2 인터커넥터 가장자리 둘레에 이격된 형태로 배치되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 인터커넥터의 하단에는, 연료가 이동되는 제1 유로가 형성되고, 상기 제1 중앙 스페이서는, 상기 제1 유로 아래의 중앙에 배치되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 인터커넥터의 상단에는, 가스가 이동되는 제2 유로가 형성되며, 상기 제2 중앙 스페이서는, 상기 제2 유로 위의 중앙에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 및 2 인터커넥터의 중앙부 및 외곽에 제1 및 2 중앙 스페이서와 외곽 스페이서가 각각 배치됨으로써 스택 구조의 내부 공간이 확보되면서 스택 층간 두께가 일정하게 유지될 수 있고, 이로 인해 연료전지의 안정성이 향상될 수 있도록 하는 이점이 있다.
특히, 제1 및 2 인터커넥터의 중앙부에 제1 및 2 중앙 스페이서가 각각 배치되어 스택 구조의 층간 면압이 동일하게 유지됨으로써 스택의 내구성이 향상될 수 있고, 연료전지의 파손이 방지될 수 있도록 하는 이점이 있다.
또한, 스택 구조 내부에 제1 및 2 중앙 스페이서와 외곽 스페이서가 배치되어 단위 셀 및 집전체의 하중 변형이 방지됨으로써 연료전지의 성능 및 수명이 향상될 수 있도록 하는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택(100)의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 인터커넥터(30b)의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택(100)의 면압이 가해지는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 제3 인터커넥터(30c)가 포함된 다른 실시예에 따른 연료전지 스택(100')의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기제가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함 할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
<실시예1>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택(100)의 구조를 개략적으로 나타낸 측면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 인터커넥터(30b)의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택(100)의 면압이 가해지는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 단위 셀(10), 단위 셀(10)의 양측에 배치되는 집전체(20), 집전체(20)의 일측에 각각 배치되는 인터커넥터(30) 및 인터커넥터(30)의 가장자리에서 단위 셀(10)의 측면을 지지하는 윈도우프레임(40)을 포함할 수 있다.
또한, 연료전지 스택(100)은 인터커넥터(30)의 중앙에 각각 배치되는 중앙 스페이스(50) 및 제2 인터커넥터(30b)의 가장자리 둘레에 배치되는 복수 개의 외곽 스페이서(60)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저, 단위 셀(10)은 연료극(도시되지 않음), 전해질(도시되지 않음) 및 공기극(도시되지 않음)을 포함하며, 이때 전해질은 연료극 및 공기극 사이에 배치될 수 있다.
단위 셀(10)의 전해질은 연료와 가스가 혼합되지 않도록 구조가 치밀해야 하며, 산소이온의 전도도가 높고 전자전도도가 낮아야 한고, 이때 전해질을 구성하는 재료로는 세리아계 및 란타늄 갈레이트계 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성될 수있다.
단위 셀(10)의 연료극은 전해질의 한 측면에 위치하여 연료의 전기화학적 산화와 전하 전달 역할을 하며, 전해질을 형성하는 재료인 지르코니아계, 세리아계 및 란타늄 갈레이트계와 니켈 옥사이드 등이 혼합된 서머트(cermet)를 포함할 수 있고, Ni, Co, Ru 및 Pt 등의 순수 금속 등이 연료극의 재료로 사용될 수 있다.
단위 셀(10)의 공기극은 연료전지 스택(100)에 공급되는 가스를 산소 이온으로 환원시킬 수 있고, 공기극에 공기를 계속 흘려줌으로써 일정한 산소 분압을 유지시킬 수 있다.
이때, 공기극은 공기극의 지지층의 역할을 할 수 있으며, 전기 전도도가 우수하게 형성될 수 있고, 가스가 잘 확산되어 들어가 수 있도록 다공성의 형태를 가질 수 있다.
공기극은 스트론튬 코발트 철 산화물(La1 - xSrxCo1 - yFeyO3), 바륨 스트론튬 코발트 철 산화물(Ba-1- xSrxCo1 - yFeyO3), 란타늄 스트론튬 망간 산화물(La1 - xSrxMnO3) 및 사마륨 스트론튬 코발트 산화물(Sm1 - xSrxCoO3) 중 어느 하나 이상의 물질을 포함하여 구성될 수 있다.
다음으로, 집전체(20)는 단위 셀(10)의 양측에 배치되며, 양극 집전체(20a) 및 음극 집전체(20b)로 구성될 수 있다.
양극 집전체(20a)는 연료극의 바깥 측면에 위치하여 연료극에서 발전되는 전기를 모으는 역할을 할 수 있고, 음극 집전체(20b)는 공기극의 바깥 측면에 위치해 공기극에서 발전되는 전기를 모으는 역할을 할 수 있다.
음극 집전체(20b)는 란타늄 스트론튬 코발트 철 산화물(La1 - xSrxCo1 - yFeyO3)이 포함될 수 있고, 이외에도 란타늄 스트론튬 망간 산화물(La1 - xSrxMnO3), 란타늄 스트론튬 철 산화물(La1 - xSrxFeO3) 및 사마륨 스트론튬 코발트 산화물(Sm1 - xSrxCoO3) 중 어느 하나 이상의 물질을 포함하여 구성될 수 있다.
집전체(20)의 양측에는 인터커넥터(30)가 배치될 수 있으며, 인터커넥터(30)는 양극 집전체(20a)의 일측에 위치하는 제1 인터커넥터(30a) 및 음극 집전체(20b)의 일측에 위치하는 제2 인터커넥터(30b)로 구성될 수 있다.
인터커넥터(30)는 단위 셀(10) 및 집전체(20)와 전기적으로 연결되어 있고, 이때 인터커넥터(30)는 고체의 형태로써 크롬(Chromium), 철(Fe), 탄소(C), 구리(Cu), 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 리튬(Li), 텅스텐(W), 루비듐(Rb) 및 나이오븀(Nb) 중 하나 이상의 원소를 포함하여 금속, 세라믹 및 유리 등의 소재로 구성될 수 있다.
양극 집전체(20a)와 접한 제1 인터커넥터(30a)의 하단에는, 연료가 이동되는 제1 유로(1)가 형성될 수 있고, 제1 유로(1)는 요철을 가진 행태로써 돌기와 홈이 반복되는 형태로 구성될 수 있다.
음극 집전체(20b)와 접한 제2 인터커넥터(30b)의 상단에는, 가스가 이동되는 제2 유로(2)가 형성될 수 있고, 제2 유로(2)는 요철을 가진 형태로써 돌기와 홈이 반복되는 형태로 구성될 수 있다.
이때, 제1 유로(1) 및 제2 유로(2)는 서로 다른 방향으로 형성되어 서로 수직하게 놓일 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 제2 인터커넥터(30b)의 제2 유로(2)가 X방향으로 형성되면, 제1 인터커넥터(30a)의 제1 유로(1)는 Y방향으로 형성될 수 있고, 여기서 제1 및 2 유로(1, 2)는 서로 수직하게 놓일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단위 셀(10)이 한 개일 경우, 제1 및 2 인터커넥터(30a, 30b) 사이에 단위 셀(10) 및 집전체(20)가 배치될 수 있고, 이때 제1 인터커넥터(30a)의 상측은 평편한 형태이고, 하측은 양극 집전체(20a)와 접하며, 요철을 가진 형태로 구성될 수 있다.
또한, 제2 인터커넥터(30b)의 상측은 음극 집전체(20b)와 접하며, 요철을 가진 형태로 구성될 수 있고, 하측은 평편한 형태로 구성될 수 있다.
이때, 제1 및 2 인터커넥터(30a, 30b)는 모두 금속 소재로 구성되어 단위 셀(10) 및 집전체(20)의 양측에 배치됨으로써 단위 셀(10) 및 집전체(20)의 파손이 방지될 수 있다.
다음으로, 윈도우프레임(40)은 단위 셀(10)의 측면을 지지하며 제1 및 2 인터커넥터(30a, 30b) 사이에 배치됨으로써 단위 셀(10) 및 집전체(20)의 위치를 고정시킬 수 있고, 연료전지 스택(100)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이때, 윈도우프레임(40)은 고체의 형태로써 크롬(Chromium), 철(Fe), 탄소(C), 구리(Cu), 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 리튬(Li), 텅스텐(W), 루비듐(Rb) 및 나이오븀(Nb) 중 하나 이상의 원소를 포함하여 금속, 세라믹 및 유리 등의 소재로 구성될 수 있다.
다음으로, 중앙 스페이서(50)는 양극 및 음극 집전체(20a, 20b)와 각각 접하도록 배치되고, 절연이 가능한 세라믹, 마이카, 실리콘 및 고무 중 하나의 소재로 형성될 수 있다.
중앙 스페이서(50)는 제1 중앙 스페이서(50a) 및 제2 중앙 스페이서(50b)로 구성될 수 있는데, 제1 중앙 스페이서(50a)는 제1 인터커넥터(30a)의 제1 유로(1) 아래의 중앙에 배치될 수 있고, 제2 중앙 스페이서(50b)는 제2 인터커넥터(30b)의 제2 유로(2) 위의 중앙에 배치될 수 있다.
이때, 제1 및 2 유로(1, 2)의 형태는 제1 및 2 중앙 스페이서(50a, 50b)의 형태 및 크기에 따라 변형될 수 있는데 도 2를 통해 보다 구체적으로 살펴볼 수 있다.
예를 들어, 도 2(a)의 제2 인터커넥터(30b)를 살펴보면, 일 실시예에 따른 제2 중앙 스페이서(50b)는 원형으로 제공되어 제2 유로(2) 상의 중앙에 배치될 수 있고, 이때 제2 유로(2)의 중앙은 제2 중앙 스페이서(50b)의 형태와 유사한 원형의 공간이 형성될 수 있다.
또 다른 예를 들어, 도 2(b)의 제2 인터커넥터(30b)를 살펴보면, 다른 실시예에 따른 제2 중앙 스페이서(50b')는 사각형으로 제공되어 제2 유로(2) 상의 중앙에 배치될 수 있고, 이때 제2 유로(2)의 중앙은 제2 중앙 스페이서(50b')의 형태와 유사한 사각형의 공간이 형성될 수 있다.
이처럼, 제2 인터커넥터(30b)에 배치된 제2 중앙 스페이서(50b)의 형태는 다양한 형태로 제공될 수 있고, 제2 중앙 스페이서(50b)의 크기는 제2 인터커넥터(30b)의 크기에 따라 변형될 수 있으며, 이때 제1 중앙 스페이서(50a)의 형태는 제2 중앙 스페이서(50b)의 형태와 동일하게 제공될 수 있다.
제1 및 2 인터커넥터(30a, 30b)의 중앙부에 제1 및 2 중앙 스페이서(50a, 50b)가 각각 배치됨으로써 연료전지 스택(100)의 층간 면압이 동일하게 유지될 수 있다.
이로 인해, 연료전지 스택(100)의 가열 및 가압 시 단위 셀(10) 및 집전체(20)의 하중변형으로 인한 연료전지의 파손이 방지되어 연료전지의 내구성이 향상될 수 있다.
좀 더 상세하게는, 연료전지 스택(100)의 제조 과정 중 연료전지 스택(100)의 내부 구조를 접합시키고 단위 셀(10)을 소성시키기 위해 고온에서 연료전지 스택(100)에 가압을 줄 경우, 단위 셀(10), 집전체(20) 및 후술되는 실링재의 성질이 연질로 변화될 수 있다.
이때, 제1 및 2 중앙 스페이서(50a, 50b)가 제1 및 2 인터커넥터(30a, 30b)의 중앙부에 배치됨으로써 연료전지 스택(100)의 중심부가 아래로 쳐져 형태가 변형되는 것이 방지될 수 있고, 연료전지의 파손이 방지될 수 있으며, 이로 인해 연료전지의 내구성이 향상될 수 있는 효과가 발생할 수 있다.
다음으로, 외곽 스페이서(60)는 윈도우프레임(40)과 접하도록 배치될 수 있고, 제2 인터커넥터(30b) 및 윈도우프레임(40) 사이의 간격을 균일하게 유지시킬 수 있으며, 절연이 가능한 세라믹, 마이카, 실리콘 및 고무 중 하나의 소재로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 외곽 스페이서(60)는 제2 인터커넥터(30b)의 가장자리 둘레에 이격된 형태로 배치될 수 있고, 제2 인터커넥터(30b)의 제2 유로(2)의 양 옆에 대칭으로 배치될 수 있다.
또한, 외곽 스페이서(60)의 형태 및 크기는 제1 및 2 인터커넥터(30a, 30b)의 형태 및 크기에 따라 변형될 수 있으며, 제1 및 2 인터커넥터(30a, 30b)의 크기가 커질 경우, 외곽 스페이서(60)의 크기도 커질 수 있다.
예를 들어, 제2 인터커넥터(30b)에서 제2 중앙 스페이서(50b)는 제2 유로(2)의 중앙부에 배치될 수 있고, 이때 제2 인터커넥터(30b)의 형태는 사각형으로써 단위 셀(10)의 음극 집전체(20b)와 인접될 수 있다.
제2 중앙 스페이서(50b)가 배치된 제2 인터커넥터(30b)의 가장자리 둘레에는 4개의 외곽 스페이서(60)가 위치되고, 이때 제2 유로(2)의 양 옆으로 외곽 스페이서(60)가 2개씩 대칭으로 배치될 수 있다.
이처럼, 연료전지 스택(100)의 제2 인터커넥터(30b)의 가장자리 둘레에 외곽 스페이서(60)가 배치되어 제2 인터커넥터(30b) 및 윈도우프레임(40) 사이의 공간이 확보됨으로써 연료전지 스택(100)의 승온 과정 시 단위 셀(10) 의 열화가 방지될 수 있다.
다음으로, 연료전지 스택(100)은 단위 셀(10), 인터커넥터(30) 및 윈도우프레임(40) 사이에 배치되는 실링재(도시되지 않음)를 포함할 수 있고, 실링재는 고무, 실리콘, 고분자물질, 금속, 세라믹 및 유리 중 하나 이상의 소재를 사용하여 구성될 수 있다.
실링재는 연료전지 스택(100)의 각 구성요소를 고정시켜줄 수 있으며, 실링재의 크기는 단위 셀(10), 인터커넥터(30) 및 윈도우프레임(40)의 크기 및 두께에 따라 각각 다르게 구성될 수 있다.
이처럼, 실링재는 연료전지 스택(100)의 구조 내에 단위 셀(10), 인터커넥터(30) 및 윈도우프레임(40)의 위치를 고정시켜주는 역할을 함으로써 연료전지 스택(100)의 손상이 방지될 수 있다.
또한, 실링재는 제1 및 2 유로(1, 2)를 통해 이동되는 가스가 외부로 방출되지 않도록 연료전지 스택(100)을 밀봉시킴으로써 연료전지 내 연료의 효율을 향상시킬 수 있고, 연료전지의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 및 2 인터커넥터(30a, 30b)의 중앙부에 제1 및 2 중앙 스페이서(50a, 50b)가 배치되고, 제2 인터커넥터(30b) 및 윈도우프레임(40) 사이에 외곽 스페이서(60)가 배치됨으로써 연료전지 스택(100)의 층간 면압 및 두께가 일정하게 유지될 수 있다.
예를 들어, 연료전지 스택(100) 승온 과정 중 단위 셀(10), 집전체(20) 및 실링재가 연질 상태가 되는 연화점 부근에서 하중을 가하면, 단위 셀(10) 및 집전체(20)는 하중이 가해진 방향으로 힘을 받게 되는데, 그 힘은 중앙 스페이서(50) 및 외곽 스페이서(60)가 고르게 지지해줄 수 있다.
즉, 제2 중앙 스페이서(50b) 및 외곽 스페이서(60)는 제1 인터커넥터(30a)의 하측 방향으로 가해지는 힘을 지지해줄 수 있고, 제1 중앙 스페이서(50a)는 제2 인터커넥터(30b) 상측 방향으로 가해지는 힘을 지지해줄 수 있다.
이처럼, 연료전지 스택(100)의 제1 및 2 인터커넥터(30a, 30b)의 중앙부에 제1 및 2 중앙 스페이서(50a, 50b)가 각각 배치되고, 제2 인터커넥터(30b)의 가장자리 둘레에 외곽 스페이서(60)가 배치되어 스택 구조의 층간 면압이 동일하게 유지됨으로써 연료전지 스택(100)의 내구성이 향상될 수 있다.
또한, 중앙 스페이서(50) 및 외곽 스페이서(60)가 연료전지 스택(100)에 가해지는 하중을 지지해줌으로써 연료전지 스택(100)의 가열 및 가압 과정 시 단위 셀(10) 및 집전체(20)의 하중 변형이 방지될 수 있고, 이로 인해 연료전지의 안정성 및 수명이 향상될 수 있다.
<실시예2>
도 4는 제3 인터커넥터(30c)가 포함된 다른 실시예에 따른 연료전지 스택(100')의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택(100')의 단위 셀(10), 양극 및 음극 집전체(20a, 20b), 제1 및 2 인터커넥터(30a, 30b), 윈도우프레임(40), 제1 및 2 중앙 스페이서(50a, 50b) 및 외곽 스페이서(60)의 구성은 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택(100)의 구성과 동일하여 생략하며 상이한 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
먼저, 다른 실시예에 따른 연료전지 스택(100')은 복수 개의 단위 셀(10) 사이에 배치되는 제3 인터커넥터(30c)를 포함할 수 있고, 단위 셀(10)의 개수가 증가함에 따라 제3 인터커넥터(30c)의 개수도 증가할 수 있다.
예를 들어, 연료전지 스택(100)이 세 개의 단위 셀(10)을 포함할 경우, 제3 인터커넥터(30c)는 각각의 단위 셀(10) 사이에 위치되어 총 두 개가 포함될 수 있다.
즉, 연료전지 스택(100)에 n개(n은 2이상의 자연수)의 단위 셀(10)이 배치되는 경우, (n-1)개의 제3 인터커넥터(30c)가 각각의 단위 셀(10) 사이에 배치될 수 있다.
도 4를 참조하면, 단위 셀(10)이 두 개일 경우 제1 및 2 인터커넥터(30a, 30b) 사이에 하나의 제3 인터커넥터(30c)가 배치될 수 있고, 제3 인터커넥터(30c)는 상측 및 하측 모두 요철을 가진 형태로써 유로가 구성될 수 있다.
제3 인터커넥터(30c)의 상단에는 가스가 이동되는 제2 유로(2)가 형성될 수 있고, 제3 인터커넥터(30c)의 하단에는 연료가 이동되는 제1 유로(1)가 형성될 수 있으며, 이때 제1 유로(1) 및 제2 유로(2)는 서로 다른 방향으로 형성되어 서로 수직하게 놓일 수 있다.
여기서, 제1 인터커넥터(30a) 및 제3 인터커넥터(30c) 사이에 하나의 단위 셀(10)이 배치될 수 있고, 제3 인터커넥터(30c) 및 제2 인터커넥터(30b) 사이에 다른 하나의 단위 셀(10)이 배치될 수 있다.
제3 인터커넥터(30c)의 상측은, 하나의 단위 셀(10)의 음극 집전체(20b)와 접하고, 제3 인터커넥터(30c)의 하측은, 다른 하나의 단위 셀(10)의 양극 집전체(20a)와 접할 수 있다.
제3 인터커넥터(30c)는 복수 개의 단위 셀(10)을 전기적으로 연결시켜줄 수 있고, 제1 인터커넥터(30a) 및 제2 인터커넥터(30b)와 동일한 소재로 구성될 수 있다.
이처럼, 복수 개의 단위 셀(10) 사이에 제3 인터커넥터(30c)가 배치되어 단위 셀(10)의 개수가 복수 개로 증가됨으로써 연료전지 스택(100')의 발전 용량이 향상될 수 있고, 이로 인해 연료전지의 성능이 향상될 수 있다.
상기 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 100': 연료전지 스택
10: 단위 셀
20: 집전체
20a: 양극 집전체
20b: 음극 집전체
30: 인터커넥터
30a: 제1 인터커넥터
30b: 제2 인터커넥터
30c: 제3 인터커넥터
1: 제1 유로
2: 제2 유로
40: 윈도우프레임
50: 중앙 스페이서
50a: 제1 중앙 스페이서
50b, 50b': 제2 중앙 스페이서
60: 외곽 스페이서

Claims (6)

  1. 단위 셀; 상기 단위 셀의 양측에 배치되는 양극 및 음극 집전체;
    상기 양극 및 음극 집전체의 일측에 각각 배치되는 제1 및 2 인터커넥터(interconnect);
    상기 제1 및 2 인터커넥터의 가장자리에서 상기 단위 셀의 측면을 지지하는 윈도우프레임(window-frame);
    상기 제1 및 2 인터커넥터의 중앙에 각각 배치되는 제1 및 2 중앙 스페이서(center spacer); 및
    상기 제2 인터커넥터의 가장자리 둘레에 배치되는 복수 개의 외곽 스페이서(outside spacer);를 포함하며,
    상기 제1 및 2 중앙 스페이서는, 상기 양극 및 음극 집전체와 각각 접하도록 배치되고,
    상기 제1 인터커넥터의 하단에는, 연료가 이동되는 제1 유로가 형성되고,
    상기 제1 중앙 스페이서는, 상기 제1 유로 아래의 중앙에 배치되며,
    상기 제2 인터커넥터의 상단에는, 가스가 이동되는 제2 유로가 형성되며,
    상기 제2 중앙 스페이서에는, 상기 제2 유로 위의 중앙에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 2 중앙 스페이서는, 세라믹, 마이카, 실리콘 및 고무 중 하나의 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 스택.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 외곽 스페이서는, 상기 윈도우프레임과 접하도록 배치되고, 상기 제2 인터커넥터 및 상기 윈도우프레임 사이의 간격을 균일하게 유지시키는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 스택.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 외곽 스페이서는, 상기 제2 인터커넥터 가장자리 둘레에 이격된 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 스택.
  5. 삭제
  6. 삭제
KR1020180054276A 2018-05-11 2018-05-11 연료전지 스택 KR102533381B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180054276A KR102533381B1 (ko) 2018-05-11 2018-05-11 연료전지 스택

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180054276A KR102533381B1 (ko) 2018-05-11 2018-05-11 연료전지 스택

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190129513A KR20190129513A (ko) 2019-11-20
KR102533381B1 true KR102533381B1 (ko) 2023-05-16

Family

ID=68729421

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180054276A KR102533381B1 (ko) 2018-05-11 2018-05-11 연료전지 스택

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102533381B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101237735B1 (ko) * 2010-06-14 2013-02-26 포항공과대학교 산학협력단 내부개질형 관형 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제작 방법

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102055951B1 (ko) * 2012-12-28 2020-01-23 주식회사 미코 연료 전지용 스택 구조물
KR102145304B1 (ko) 2013-06-27 2020-08-18 주식회사 미코 고체산화물 연료전지 스택

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101237735B1 (ko) * 2010-06-14 2013-02-26 포항공과대학교 산학협력단 내부개질형 관형 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제작 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190129513A (ko) 2019-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8288060B2 (en) Metal-supported solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
EP3016193B1 (en) Solid oxide fuel cell stack
US11239493B2 (en) Method for bonding solid electrolyte layer and electrodes, method for manufacturing fuel cell, and fuel cell
KR101245626B1 (ko) 연료극 지지체식 평관형 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법
US20100062302A1 (en) Metal support and solid oxide fuel cell including the same
US9705148B2 (en) Stacked structure for fuel cell
KR102533381B1 (ko) 연료전지 스택
KR101146679B1 (ko) 디스크형 고체산화물 연료전지 제조 방법
JP2010238437A (ja) 平板型固体酸化物形燃料電池用の固体電解質及び平板型固体酸化物形燃料電池
KR101091979B1 (ko) 디스크형 고체산화물 연료전지
US7067217B2 (en) Compact fuel cell layer
KR102268562B1 (ko) 고체산화물 연료전지 모듈 및 스택
CN110809833B (zh) 燃料电池堆结构
KR101226489B1 (ko) 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법
US20140030626A1 (en) Solid oxide fuel cell
KR101479681B1 (ko) 고체 산화물 연료전지
KR100665391B1 (ko) 개선된 구조의 평판형 고체산화물 연료전지
KR102479821B1 (ko) 요철 패턴을 갖는 고체산화물 연료전지용 분리판 모듈 및 이를 포함하는 연료전지용 스택
KR102557673B1 (ko) 고체산화물 연료전지
WO2021210231A1 (ja) 電気化学セル装置
KR102254281B1 (ko) 전기 화학 반응 단위, 전기 화학 반응 셀 스택, 및, 전기 화학 반응 단위의 제조 방법
KR101146681B1 (ko) 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법
KR20160007764A (ko) 연료 전지 모듈 및 이의 제조방법
KR101147918B1 (ko) 밀봉 성능을 높인 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법
JPWO2014050715A1 (ja) 固体電解質形燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant