KR102602433B1

KR102602433B1 - Soc 스택

Info

Publication number: KR102602433B1
Application number: KR1020220178258A
Authority: KR
Inventors: 이인성; 이용현; 정광철; 황효기; 이영상; 김준영; 정진묵; 이병준; 서장우; 박도원; 최성만
Original assignee: 주식회사 이엔코아
Priority date: 2022-12-19
Filing date: 2022-12-19
Publication date: 2023-11-15

Abstract

본 발명은 SOC 스택에 관한 것으로, 적층된 셀에 공기 및 연료를 공급할 수 있도록 상기 적층된 셀의 상측 및 하측에 각각 형성된 상부 메니폴드 및 하부 메니폴드와, 상기 적층된 셀 사이에 각각 형성되어 상기 셀 내부로 공기 및 연료를 공급할 수 있도록 공기 유통장공 및 연료 유통장공이 구비된 인터커넥터와, 상기 상부 메니폴드 및 상기 하부 메니폴드에 각각 설치되어 상부 메니폴드 및 하부 메니폴드 측 온도의 측정이 가능한 제1온도감지소자 및 상기 셀 사이에 형성된 인터커넥터의 공기 유통장공이 서로 연결되어 형성되는 공기 유출공간 및 공기 유입공간에 각각 설치되어 스택 내부에서의 온도의 측정이 가능한 제2온도감지소자를 포함한다. 이에 따라, 본 발명은 제1온도감지소자에 의한 메니폴더에서의 온도 측정값과 더불어 제2온도감지소자에 의하여 SOC 스택 내부 온도를 실질적으로 실시간으로 검출할 수 있게 되어 스택 운전 전/후의 정확한 온도 변화 검출이 가능하게 되어 안정적이고 이상적인 운전조건을 확립할 수 있게 된다.

Description

SOC 스택{Solid Oxide Cell Stack}

본 발명은 SOFC(고체산화물 연료전지) 모드 및 SOEC(고체산화물 전해조) 모드에 사용가능한 SOC 스택에 관한 것으로, 스택의 메니폴드 측과 더불어 스택의 내부에서의 온도의 측정이 가능한 SOC 스택에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, 연료전지는 연료가 갖고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시킬 수 있는 발전장치이므로 기존의 발전장치에 비하여 발전효율이 높고 공해를 유발하지 않으며 수요지 부근에 설치할 수 있으므로 송전설비를 최소화할 수 있다는 등의 다양한 장점을 가지고 있다.

이러한 연료전지는 전해질의 종류에 따라 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell ; PAFC), 용융 탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell; MCFC), 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC), 고체 고분자형 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell; PEFC)로 크게 세분화된다.

특히, 제3세대 연료전지로 불리는 고체 산화물 연료전지(SOFC)는 여러 연료전지 형식 중 가장 효율이 높으며, 작동시 공해물질의 함량이 대단히 낮은 양질의 폐가스만을 발생시키며, 이러한 폐가스를 열교환기에 활용하면 전체 효율을 90%까지 향상시킬 수 있다고 알려져 있다.

또한, 고체 산화물 연료전지는 작동온도가 높아 고가의 외부 개질 장치 없이 다양한 연료를 사용할 수 있으며, 전해질로 고체를 사용하기 때문에 다른 연료전지와는 달리 부식성이 낮아 수명이 길게 되는 장점이 있으므로 각광을 받고 있다.

이러한 고체 산화물 연료전지의 스택의 종류는 구조에 따라 관형, 집적형, 평판형으로 나눌 수 있으며, 이 중에 평판형 스택의 구조를 도 1로 보였다. 이에서 볼 수 있는 바와 같이 평판형 스택은 음극, 양극, 고체 전해질, 연결소자 등 4가지 기본 구조로 되어 있으며 평판형으로 된 스택의 작동을 대한민국 특허 10-1178528(발명의 명칭 고체 산화물 연료전지용 분리판 및 그 제조방법; 이하 ‘인용발명’이라 함)의 도 1 및 도 2에 의하여 살펴 보면 다음와 같다.

인용발명은 도 1로 보인 바와 같이 스택(1)을 구성하기 위하여 단위셀들(CU) 사이에 분리판(2)을 개재하여 스택 구조로 형성된다. 단위셀(CU)은 산소이온 전도성을 가지는 전해질(3), 및 전해질(3)의 양면에 각각 구비되는 공기극(4)과 연료극(5)을 포함한다. 공기극(4)은 공기, 즉 산소를 공급받아 환원작용에 의하여 산소 이온을 생성한다. 연료극(5)은 연료, 즉 수소를 공급받아 전해질(3)을 통과한 산소 이온과 산화작용에 의하여 물을 생성한다. 이때 생성되는 전자는 외부 회로를 통하여 공기극(4)으로 공급되면서 전기 에너지를 생산한다. 분리판(2)은 이웃하는 단위셀들(CU) 사이에 개재되어, 공기극(4)에 산소, 즉 환원용 공기를 공급하도록 공기극(4)에 마주하는 제1면(21)에 공기 유로(23)를 형성하고, 연료극(5)에 수소, 즉 산화용 연료를 공급하도록 연료극(5)에 마주하는 제2면(22)에 연료 유로(24)를 형성한다.

이에 따라, 분리판(2)은 공기극(4)과 연료극(5)에 공기와 연료를 각각 공급하면서 공기극(4)과 연료극(5)에 대하여 집전 기능을 가질 수 있도록 구성된다. 즉, 분리판(2)은 이웃하는 단위셀들(CU)의 공기극(4)과 연료극(5)을 직렬로 연결하여 전자의 흐름으로 생성된 전류를 형성하여 전원으로 공급되는 것이다.

이러한 평판형 스택은 다른 종류의 스택에 비하여 제조공정이 용이하며 단위 활성면적이 넓고 전해질 박막화가 가능하여 부피 대비 고출력 성능을 얻기에 적합하다. 반면에 평판형 스택은 구조적으로 연료와 공기를 완전 분리시킬 수 없기 때문에 별도의 금속 분리판이 필요하며 이때 600~850℃의 온도 범위를 초과하는 경우 고온 밀봉소재의 열적 내구성이 취약하게 되는 단점을 갖고 있다. 더구나, 온도 범위를 초과하는 경우 다공성 전극 소결현상, 전극과 전해질 이종 물질에서의 확산반응으로 인한 성능감소, 스택단위 부하변동 조건에서의 스택 열화 등이 문제로 대두되고 있다.

이와 같이 고체산화물 연료전지의 스택은 온도가 불안정하게 되면 상기한 바와 같은 적지 않은 문제점이 발생하게 되었던 것이다.

그러므로 이상적인 운전 조건을 확립하기 위하여 운전 전/후의 스택 내부 중앙의 온도 변화를 측정하는 것이 바람직하나, 스택 내부 중앙에는 소정 전압의 전기와 가스가 상존하므로 절연 상태 및 밀봉 상태가 유지되어야 하는 것일 뿐만 아니라 추가 요소를 설치할 수 있는 여유 공간의 확보가 사실상 불가능한 것이어서 스택의 내부 중심에서 온도를 직접 측정하지 못하게 되었다.

따라서, 종래에는 스택 상하에 설치되어 있으며, 공기가 유입되는 하부 메니폴드와 공기가 유출되는 상부 메니폴드에 온도센서를 설치하여 스택 운전 전/후의 온도 변화를 간접적으로 측정하고 측정된 온도값이 높은 경우 투입되는 공기량과 연료량을 조절하는 등 운전 조건을 변경하여 스택의 온도가 최적 범위를 유지하도록 하였다.

그 결과, 종래의 운전조건 제어동작은 발열이 집중되는 스택의 내부 온도를 직접 측정하는 방식이 아닌 하부 및 상부 메니폴드의 온도 측정에 기반한 것이어서 스택 내부 온도의 실시간 측정이 불가할 뿐만 아니라, 스택 내부가 아닌 메니폴드의 온도를 측정하는 것이므로 반응속도 및 민감도가 현저히 낮게 되어 운전 조건의 최적화를 위한 제어 동작의 신뢰성이 저하되었다. 이러한 문제는 종래의 SOFC 스택 역시 동일하게 되어 스택의 내부 중심이 아닌 상, 하부 메니폴드의 온도를 측정하고 있어서 실시간 측정이 아닐 뿐만 아니라, 스택 내부가 아닌 메니폴드의 온도를 측정하는 것이므로 반응속도 및 민감도가 현저히 낮게 되어 운전 조건의 확립하기 위한 온도측정의 신뢰성이 저하되었다.

이와 같이 SOC 스택의 이상적인 운전조건 확보를 위하여 운전 전/후에 내부 중앙의 온도를 직접 검출하고 이를 기반으로 운전조건을 확립하는 방식이 이상적이나, 스택의 내부 중심은 상술한 바와 같은 이유로 온도 감지 수단의 설치가 불가하므로 스택 내부 중심의 온도 변화를 실질적으로 검출할 수 있는 수단의 출현이 요청되고 있는 실정이다.

대한민국특허청 등록번호 10-1178528(발명의 명칭: 고체 산화물 연료전지용 분리판 및 그 제조방법).

본 발명의 목적은 이러한 요청에 부응하기 위하여 운전 전/후 스택 내부 중심의 실질적 온도를 측정할 수 있도록 한 SOC 스택을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 SOC 스택 내부 온도를 실질적으로 측정하되, 스택 내부 중심의 전기적 절연이나 밀봉 상태에 영향을 미치지 않도록 한 SOC 스택을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 스택의 내부 온도를 측정할 수 있도록 한 온도감지소자를 추가 설치하되, 메니폴드에 설치된 온도감지소자와 함께 설치함으로써 온도감지수단을 용이하게 설치할 수 있도록 하여서 된 SOC 스택을 제공함에 있다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 적층된 셀에 공기 및 연료를 공급할 수 있도록 상기 적층된 셀의 상측 및 하측에 각각 형성된 상부 메니폴드 및 하부 메니폴드와, 상기 적층된 셀 사이에 각각 형성되어 상기 셀 내부로 공기 및 연료를 공급할 수 있도록 공기 유통장공 및 연료 유통장공이 구비된 인터커넥터와, 상기 상부 메니폴드 및 상기 하부 메니폴드에 각각 설치되어 상부 메니폴드 및 하부 메니폴드 측 온도의 측정이 가능한 제1온도감지소자 및 상기 셀 사이에 형성된 인터커넥터의 공기 유통장공이 서로 연결되어 형성되는 공기 유출공간 및 공기 유입공간에 각각 설치되어 스택 내부에서의 온도의 측정이 가능한 제2온도감지소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOC 스택을 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 제2온도감지소자는, 상기 제1온도감지소자와 함께 하나의 홀더에 내장, 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 홀더는, 하나의 장착부만으로 상부 메니폴드 및 하부 메니폴드에 고정되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2온도감지소자의 측온부는, 상기 공기 유입공간 및 상기 공기 유출공간과 공간적으로 차단되는 공간차단수단을 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 공간차단수단은, 내열성능을 갖는 관상의 슬리브로 형성되거나, 내열성능을 갖는 박막상의 대상(帶狀) 테이프를 감아 형성되거나, 내열성능을 갖는 세라믹 소재로 코팅되어 형성되거나, 내열성능을 갖는 세라믹 소재로 되며, 상기 제2온도감지소자의 측온부 길이에 상응하는 갯수의 유니트 관체로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 공간차단수단은, 상기 상부 메니폴드와 상기 하부 메니폴드 사이의 공기 유출공간과 공기 유입공간에 세워 설치하여서 된 세라믹봉으로, 상기 측온부가 상기 세라믹봉의 측온부 수용공간에 설치되는 것이 바람직하다.

여기에서, 상기 세라믹봉은, 상기 측온부 일측이 노출되도록 하는 온도측정용 홀과, 상기 측온부를 덮어 밀폐하도록 하는 수용공간커버를 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2온도감지소자는 써모커플, 적외선 온도센서 및 저항온도센서 중 어느 하나를 사용할 수 있다.

이와 같이 하여 본 발명은 제1온도감지소자에 의한 메니폴더에서의 온도 측정값과 더불어 제2온도감지소자에 의하여 SOC 스택 내부 온도를 실질적으로 실시간으로 검출할 수 있게 됨으로써 스택 운전 전/후의 온도 변화를 정확하게 확인하여 최적의 운전조건을 확립할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 스택의 내부에서의 온도의 측정이 가능한 제2온도감지소자는 스택의 절연 상태에 영향을 주거나 기밀이 손상되지 않도록 하여, SOC 스택의 최적화된 운전이 가능하게 되어 이상적인 온도 범위를 유지함으로써 연료전지 용량 감소를 억제하고 고온 밀봉소재의 열적 내구성을 유지하게 되는 효과가 있다.

도1은 종래의 고체 산화물 연료전지용 평판형 스택을 보인 사시도.
도 2는 종래의 고체 산화물 연료전지용 평판형 스택 구조를 보인 종단면도.
도 3은 본 발명에 의한 SOC 스택을 보인 사시도.
도 4는 본 발명에 의한 스택의 요부 분리 사시도.
도 5는 본 발명에서 인터커넥트의 적층에 따라 형성되는 공기 유입공간과 공기 유출공간을 보인 개념도.
도 6은 본 발명의 도 5로 보인 공기 유입공간과 공기 유출공간이 상,하부 메니폴드와 결합하는 구조를 보인 분리 사시도.
도 7은 본 발명에 의한 공기 유입공간과 공기 유출공간이 상,하부 메니폴드와 결합하여서 된 상태를 보인 스택의 사시도.
도 8은 도 7 의 A-A’선 단면도.
도 9는 공기 유입공간과 공기 유출공간을 절단하는 절단선이 표현된 스택의 사시도.
도 10은 도 9의 절단선 B-B' 단면도 및 절단선 C-C’에 의한 단면도.
도 11은 본 발명에 의한 제2온도감지소자의 측온부에 절연성능을 갖는 슬리브를 장착한 실시예를 보인 종단면도.
도 12는 본 발명에서 제2온도감지소자의 측온부에 세라믹으로 된 유니트 관체를 장착한 실시예를 보인 종단면도.
도 13은 본 발명에서 제2온도감지소자의 측온부가 세라믹봉에 내장된 실시예를 보인 종단면도.

이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도면 및 설명에서는 SOC 스택에서 본 발명에 관련된 구조만을 도시하고 있으며 예를 들면 스택의 내외를 차단하기 위한 밀봉재나 기전력이 발생되는 셀 등의 구성은 도시를 생략하여 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 SOC 스택의 전체적인 구체적 실시예를 도 3의 사시도로 도시하였다.

도시된 바와 같이 본 발명은, 적층된 셀에 공기 및 연료를 공급할 수 있도록 상기 적층된 셀의 상측 및 하측에 각각 형성된 상부 메니폴드(101) 및 하부 메니폴드(102)와, 상기 적층된 셀 사이에 각각 형성되어 상기 셀 내부로 공기 및 연료를 공급할 수 있도록 공기 유통장공(201) 및 연료 유통장공(202)이 구비된 인터커넥터(200)와, 상기 상부 메니폴드(101) 및 상기 하부 메니폴드(102)에 각각 설치되어 상부 메니폴드(101) 및 하부 메니폴드(102) 측 온도의 측정이 가능한 제1온도감지소자(300) 및 상기 셀 사이에 형성된 인터커넥터(200)의 공기 유통장공(201)이 서로 연결되어 형성되는 공기 유입공간(900) 및 공기 유출공간(901)에 각각 설치되어 스택 내부에서의 온도의 측정이 가능한 제2온도감지소자(500)를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상부 메니폴드(101)와 하부 메니폴드(102) 사이에 셀과 함께 적층된 다수의 공기 유통장공(201) 및 연료 유통장공(202)을 구비하여서 된 인터커넥트(200)가 구비되어 있다. 더욱 상세히 살펴 보면 도 4의 인터커넥트(200)에 구비된 도면상 좌측의 공기 유통장공(201) 상측과 그 상방에 설치되는 상부 메니폴드(101)의 공기 유출공(1012)이 연통되어 있으며, 도 4의 도면상 인터커넥트(200)의 우측에 표현된 공기 유통장공(201) 하측과 그 하방에 설치되는 하부 메니폴드(102)의 공기 유입공(1022)이 연통된다.

한편, 도 4로 보인 인터커넥트(200)의 우측에 일부가 보이는 연료 유통장공(202)의 상측과 연통되는 상부 메니폴드의 연료 유입공(1011)과, 도 4로 보인 인터커넥트(200)의 좌측에 도시된 연료 유통장공(202)의 하측과 그 하방의 하부 메니폴드의 연료 유출공(1021)이 연통된다.

본 발명에서는 상기한 도 3, 도 4로 보인 인터커넥트(200)를 적층하여 다수의 인터커넥트(200)에 의한 공기 유통장공(201)이 적층됨에 따라 서로 연결되어 도 4의 우측으로 공기 유입공간(900), 도 4의 좌측으로 공기 유출공간(901)이 형성된다.

이러한 인터커넥트(200)의 적층에 의하여 형성되는 공기 유입공간(900), 공기 유출공간(901)의 상태를 도 5 및 도 6에 도시하였으며, 특히 도 7에는 이해를 돕고 작동을 설명하기 위하여 상부 메니폴드(101)와 하부 메니폴드(102) 사이에 공기 유입공간(900)과 공기 유출공간(901)만을 적시한 사시도를 도시하였다.

이를 더욱 구체적으로 설명하면, 도 5 좌측 도면에서 적층된 인터커넥트(200)를 도시하였으며, 한 장의 인터커넥트(200)에 공기 유통장공(201) 2개와 연료 유통장공(202) 2개가 각각 형성되어 있어서 다수의 인터커넥트(200)를 적층하게 되면 도 5의 우측 도면으로 보인 바와 같이 실질적으로 좌측에 공기 유출공간(901)이 형성되고 우측에는 공기 유입공간(900)이 형성되는 것이다.

이러한 공기 유출공간(901)과 공기 유입공간(900)은 도 6에서 도시한 바와 같이 그 상하에 상부 메니폴드(101)와 하부 메니폴드(102)가 배치되고 상부 메니폴드(101)의 공기 유출공(1012)과 상기 공기 유출공간(901) 상방이 연통되고 하부 메니폴드(102)의 공기 유입공(1022)과 상기 공기 유입공간(900) 하방이 연통된 상태로 된다.

이러한 상태에서 하부 메니폴드(102)와 상부 메니폴드(101)에는 각각 도 6으로 보인 바와 같은 홀더(400)가 장착되고, 이러한 홀더(400)에는 각각 제1온도감지소자(300) 및 제2온도감지소자(500)가 함께 설치되며, 제1온도감지소자(300)의 측온부(301)는 하부 메니폴드(102)와 상부 메니폴드(101)에 위치하고, 제2온도감지소자(500)의 측온부(501)는 하부 메니폴드(102) 및 상부 메니폴드(101)를 경유하여 상기 도 5 및 도 6으로 보인 공기 유출공간(901) 및 공기 유입공간(900)에 위치하도록 조립되는 것이다.

이러한 조립 상태의 이해를 돕기 위하여 도 7에 A-A’선을 도시하였으며, A-A’선에 의하여 절단된 상태를 도 8의 종단면도로 도시함으로써 상부 메니폴드(101)의 홀더(400)에 고정된 제2온도감지소자(500)의 측온부(501)가 공기 유출공간(901)에 위치한 상태를 보였고, 중간에 언터커넥트가 위치하고 하부 메니폴드(102)의 홀더(400)에 고정된 제2온도감지소자(500)의 측온부(501)가 공기 유입공간(900)에 위치한 상태를 보였다.

아울러, 도 7의 A-A’선과 직각 방향인 B-B’선, C-C’선으로 절단하는 절단선을 사시도인 도 9에 보였고, 이에 의한 종단면도를 도 10의 좌측 및 우측에 도시하였다.

이에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명에 의한 상부 메니폴드(101)의 제2온도감지소자(500)의 측온부(501)와 하부 메니폴드(102)의 제2온도감지소자(500)의 측온부(501)는 각각 공기 유출공간(901)과 공기 유입공간(900)에 설치된 상태를 보이고 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 실시예의 작동을 살펴 보면 다음과 같다. 본 발명은 도 3 이하에서 도시된 공기 유입공(1022)을 경유하여 유입된 공기가 하부 메니폴드(102) 내부를 거쳐 공기 유입공간(900)에 채워지게 된다. 이어서 인터커넥트(200)를 거쳐 공기 유출공간(901)을 경유하여 상부 메니폴드(101)의 공기 유출공(1012)으로 배출되는 것이다.

한편, 연료가스는 상부 메니폴드의 연료 유입공(1011)으로 유입된 다음 상부 메니폴드(101)를 거쳐 인터커넥트(200)의 연료 유통장공(202)으로 유입된 후 인터커넥트(200) 중심을 경유하여 연료 유통장공(202), 하부 메니폴드의 연료 유출공(1021)으로 배출되는 것이다.

이러한 과정에서 공지된 바와 같이 유입된 공기와 연료가 인터커넥트(200)를 경유하여 유출되면서 전해물(ELECTROLYTE)을 사이에 두고 양극과 음극에 각각 접촉되는 연료와 공기 중의 산소가 전자를 주고 받음으로 전류가 형성되는 것이며, 다수의 인터커넥트(200)를 적층시켜 필요한 전압을 출력시키는 전원으로 작동하는 것이다.

이때 SOFC로 사용되는 스택(100)은 발열 반응을 하게 되어 Pt 촉매 없이 반응의 가속화가 가능하므로 재료의 부식 및 전해질의 손실, 보충에 대한 문제 없이 작동 가능하게 되는 것이고, SOEC로 사용되는 스택(100)은 반대로 흡열 반응을 발생시키면서 이온화에 의한 고순도의 수소 및 산소를 제공하는 수전해 기능을 구현하게 되는 것이다.

이러한 SOC 스택(100)의 운용에 있어서, 스택(100)의 내부 중심 온도가 기준 범위를 유지하여야 하는 것이 가장 바람직하나 현실적으로 스택(100)의 내부 중앙에는 소정 전압의 전기와 가스가 상존하므로 절연 상태 및 밀봉 상태를 유지하면서 온도감지수단으로 추가 요소를 설치하기 매우 어렵고, 이러한 추가 요소할 수 있는 여유 공간의 확보도 사실상 불가능한 것이다.

그러므로 본 발명은 도 4로 보인 공기 유통장공(201)을 갖는 인터커넥트(200) 다수를 적층하여 도 5, 6으로 보인 공기 유출공간(901)과 공기 유입공간(900)을 확보하고 이에 제2온도감지소자(500)의 측온부(501)를 설치하였다.

이에 따라, 본 발명에서는 기본적으로 제1온도감지소자(300)의 측온부(301)에 의하여 상부 메니폴드(101) 및 하부 메니폴드(102)에서 스택(100)의 온도를 측정하되, 추가로 제2온도감지소자(500)의 측온부(501)에 의하여 상기 공기 유출공간(901)과 공기 유입공간(900)의 온도를 측정함으로써 밀폐된 스택(100)의 내부 중심부를 경유하여 흐르는 공기의 온도를 감지할 수 있게 되어 실질적으로 스택(100)의 내부 중심 온도를 측정가능하게 되는 것이며, 측온부(501)가 설치된 장소는 스택(100)의 중심부가 아닌 인터커넥트(200) 둘레이므로 전기의 누설을 발생시키지 않고 밀봉재에도 영향을 미치지 아니하므로 밀봉상태가 유지되는 것이다.

이와 같이 본 발명에 의하여 스택의 운전 전/후에 스택 내부에서 측정된 정확한 온도값에 기반하여 투입되는 공기량과 연료량을 조절하는 등 이상적인 운전 조건을 확보하여 스택(100)의 발열온도 등 운전조건을 제어할 수 있게 되는 것이다.

아울러, 본 발명에서는 상부 메니폴드(101)와 하부 메니폴드(102)에 각각 2개씩의 제1온도감지소자(300)와 제2온도감지소자(500)를 설치하였음에도 불구하고 하나의 홀더(400)에 제1온도감지소자(300)와 제2온도감지소자(500)를 함께 설치하는 것만으로 온도감지소자의 설치를 완료할 수 있게 된다.

따라서, 설치 및 관리가 용이하게 되며, 홀더(400)의 장착부(401)를 상부 메니폴드(101)와 하부 메니폴드(102)의 장착공에 밀어 넣어 고정시키는 것만으로 길이가 짧은 제1온도감지소자(300)의 측온부(301)가 메니폴드의 온도를 측정하도록 하고, 길이가 긴 측온부(501)를 상기한 바와 같이 공기 유출공간(901)과 공기 유입공간(900)에 넣고 기립상태로 위치하도록 절곡시키면 도 6, 8, 10으로 도시한 바와 같이 설치가 완료된다.

아울러, 본 발명에서는 하나의 홀더(400) 내부에 제1온도감지소자(300)와 제2온도감지소자(500) 모두를 수용할 수 있는 공간이 구비되도록 하여 결합함과 아울러 이들의 측온부(301. 501)가 하나의 장착부(401)를 경유하여 공기 유출공간(901) 및 공기 유입공간(900)에 도달하도록 하되, 메니폴더의 장착공에 홀더(400)의 장착부(401)가 밀착되도록 치수를 조절하여 제작, 설치함으로써 장착부(401)가 수축되면서 측온부(301, 501)와도 밀착되어 유동되지 않는 견고한 상태로 고정가능하다.

또한, 본 발명에서는 공기 유출공간(901)과 공기 유입공간(900)에 설치되는 제2온도감지소자(500)의 측온부(501)가 스택(100) 내부 중앙과 전기적 절연이 되어야 하고 스택(100) 내부 중앙의 고열로 인한 손상으로부터 보호되어야 한다. 이를 위하여 본 발명은 상기 제2온도감지소자(500)의 측온부(501)를 공기 유출공간(901) 및 공기 유입공간(900)과 공간적으로 차단되도록 공간차단수단을 씌울 필요가 있다. 이러한 실시예를 도 11 내지 도 13으로 보였다.

이에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명은 공간차단수단으로 내열성능과 비도전성을 갖는 비금속 무기질 재료인 세라믹(Ceramics)으로 1300℃ 이상 열처리과정하여 성형되는 것이 바람직하며, 규석, 샤모트, 지르코니아, 지르콘-지르코니아, 탄화규소, 크로뮴, 마그네시아, 마그네시아-카본, 산화마그네슘-크로뮴, 크로뮴-산화마그네슘, 돌로마이트 등 다양한 무기재료 중 어느 하나 이상을 선택하여 제작하는 것이 가능하다.

이를 구체적으로 살펴보면 도 11로 보인 바와 같이 측온부(501)에 장착되는 공간차단수단은 세라믹 소재로 된 관상의 슬리브(600)를 성형하여 씌워 제작될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 공간차단수단은 측온부(501)에 내열성능을 갖는 박막상의 대상(帶狀) 테이프를 감아 형성할 수 있으며, 측온부(501)에 감아 형성되며, 그 재질은 사용온도가 600℃ ~ 1000℃에 이르는 세라믹실을 이용하여 테이프 상으로 편조하여서 된 대상 테이프를 사용할 수 있다.

아울러, 본 발명에서 공간차단수단은 내열성능을 갖는 세라믹 소재로 측온부(501)를 코팅하여서 된 복합소재로 성형할 수 있다. 이를 위하여 측온부(501)를 제작단계에서 코팅할 수 있다.

또한 도 12로 보인 바와 같이 적정길이로 분할된 세라믹으로 된 유니트 관체(700)를 제2온도감지소자(500)의 측온부(501)의 길이에 따라 적정 개수를 끼운 형태로 설치할 수도 있으므로 측온부(501)의 길이에 탄력적으로 대응할 수 있게 된다.

아울러, 본 발명에서는 도 13으로 보인 바와 같이 내열성능이 탁월한 세라믹봉(800)을 상부 메니폴드(101)와 하부 메니폴드(102) 사이의 공기 유출공간(901)과 공기 유입공간(900)에 세워 설치하여서 된 것으로, 상기 세라믹봉(800)은 요홈이 형성되어 측온부(501)가 상기 세라믹봉(800)의 중심에 설치될 수 있도록 측온부 수용공간(802)에 설치됨으로써 진동이나 충격에도 요동되지 않는 안정된 위치를 유지할 수 있게 된다.

아울러, 도 13으로 보인 실시예에서는 수용공간 커버(803)를 설치하되, 그 길이를 짧게 함으로써 온도측정용 홀(801)이 확보되도록 하여 공기 유입공간(900)과 공기 유출공간(901)의 온도가 신속하게 측정될 수 있는 것이다.

또한, 본 발명에서는 상부 메니폴드(101)에서 하방으로 전개되는 측온부(501)에 공간차단수단을 장착하는 경우 경년(經年)과 진동, 충격 등으로 아래로 빠지게 될 우려가 있을 수 있다.

이러한 경우에 대비하여 본 발명에서는 상부 메니폴드(101)에서 공기 유출공간(901)으로 연장된 제2온도감지소자(500)의 측온부(501)에 벤딩(Bending)부를 형성함으로써 이탈을 방지할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서 사용되는 제2온도감지소자(500)는 넓은 온도 범위에 걸쳐 사용가능한 써모커플일 수도 있고 RTD(Resistance Temperature Detector)일 수도 있다. 아울러, 적외선 온도센서(Infrared Ray)를 사용할 수도 있으며, 이 경우 조립 위치에 따라 스택(100)의 내부 중심을 향하게 하면 스택(100)의 내부 중심 온도에 근접한 측온이 가능하게 된다.

이상에서, 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것이 아니고, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범위를 이탈하지 않는 범위 내에서 치수 및 모양 그리고 구조 등의 다양한 변형 및 모방할 수 있음은 명백한 사실이며 이러한 변형 및 모방은 본 발명의 기술 사상의 범위에 포함된다.

100 : 스택 101 : 상부 메니폴드
102 : 하부 메니폴드
1011 : 상부 메니폴드의 연료 유입공
1012 : 상부 메니폴드의 공기 유출공
1021 : 하부 메니폴드의 연료 유출공
1022 : 하부 메니폴드의 공기 유입공
200 : 인터커넥트 201 : 공기 유통장공
202 : 연료 유통장공 300 : 제1온도감지소자
301 : 제1온도감지소자의 측온부 400 : 홀더
401 : 장착부 500 : 제2온도감지소자
501 : 제2온도감지소자의 측온부 600 : 슬리브
700 : 유니트 관체 800 : 세라믹봉
801 : 온도측정용 홀 802 : 측온부 수용공간
803 : 수용공간 커버 900 : 공기 유입공간
901 : 공기 유출공간

Claims

적층된 셀에 공기 및 연료를 공급할 수 있도록 상기 적층된 셀의 상측 및 하측에 각각 형성된 상부 메니폴드 및 하부 메니폴드;
상기 적층된 셀 사이에 각각 형성되어 상기 셀 내부로 공기 및 연료를 공급할 수 있도록 공기 유통장공 및 연료 유통장공이 구비된 인터커넥터;
상기 상부 메니폴드 및 상기 하부 메니폴드에 각각 설치되어 상기 상부 메니폴드 및 상기 하부 메니폴드 측 온도의 측정이 가능한 제1온도감지소자; 및
상기 셀 사이에 형성된 인터커넥터의 공기 유통장공이 서로 연결되어 형성되는 공기 유출공간 및 공기 유입공간에 각각 설치되어 스택 내부에서의 온도의 측정이 가능한 제2온도감지소자;를 포함하며,
상기 제2온도감지소자는,
상기 제1온도감지소자와 함께 하나의 홀더에 내장, 설치됨을 특징으로 하는 SOC 스택.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 홀더는,
하나의 장착부만으로 상부 메니폴드 및 하부 메니폴드에 고정됨을 특징으로 하는 SOC 스택.
제 1항에 있어서,
상기 제2온도감지소자의 측온부는,
상기 공기 유입공간 및 상기 공기 유출공간과 공간적으로 차단되는 공간차단수단을 구비함을 특징으로 하는 SOC 스택.
제 4항에 있어서,
상기 공간차단수단은,
내열성능을 갖는 관상의 슬리브로 됨을 특징으로 하는 SOC 스택.
제 4항에 있어서,
상기 공간차단수단은,
내열성능을 갖는 박막상의 대상(帶狀) 테이프를 감아 형성됨을 특징으로 하는 SOC 스택.
제 4항에 있어서,
상기 공간차단수단은,
내열성능을 갖는 세라믹 소재로 코팅됨을 특징으로 하는 SOC 스택.
제 4항에 있어서,
상기 공간차단수단은,
내열성능을 갖는 세라믹 소재로 되며,
상기 제2온도감지소자의 측온부 길이에 상응하는 갯수의 유니트 관체로 됨을 특징으로 하는 SOC 스택.
제 4항에 있어서,
상기 공간차단수단은,
상기 상부 메니폴드와 상기 하부 메니폴드 사이의 공기 유출공간과 공기 유입공간에 세워 설치하여서 된 세라믹봉으로, 상기 측온부가 상기 세라믹봉의 측온부 수용공간에 설치됨을 특징으로 하는 SOC 스택.
제 9항에 있어서,
상기 세라믹봉은,
상기 측온부 일측이 노출되도록 하는 온도측정용 홀;
상기 측온부를 덮어 밀폐하도록 하는 수용공간커버를 구비하는 것을 특징으로 하는 SOC 스택.
제 1항에 있어서,
상기 제2온도감지소자는 써모커플임을 특징으로 하는 SOC 스택.
제 1 항에 있어서,
상기 제2온도감지소자는 적외선 온도센서임을 특징으로 하는 SOC 스택.
제 1항에 있어서,
상기 제2온도감지소자는 저항온도센서임을 특징으로 하는 SOC 스택.