KR20100022527A - 고온 연료전지스택의 보강 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지스택(70)을 보강하기 위한 보강판(10)에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 보강판(10)에는 다수의 층(20, 40)이 형성되며, 연료전지스택에 접하는 제1층(20)과 상기 제1층에 인접하여 배치되며, 연료전지스택의 반대측에 배열되는 제2층(40)이 구비되며, 상기 제2층(40)은 상기 제1층(20)보다 높은 굽힘 강성을 가지는 것이 고려될 수 있다.

Description

고온 연료전지스택의 보강 {Bracing of a high temperature fuel cell stack}
본 발명은 연료전지스택을 보강하기 위한 보강판에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지시스템은 개질기(reformer), 재연소장치(afterburner) 뿐만 아니라 고체산화물 연료전지스택 등 다수개의 구성요소를 포함하여 구성된다. 이러한 구성요소들은 900℃ 범위의 온도에서 작동된다.
일반적으로 알려진 바와 같이, 고체산화물 연료전지스택은 소정의 보강(bracing)을 이용하여 생산된다. 상기 보강은 생산과 저장뿐만 아니라 시스템의 장착 동안의 일시적이거나 최종적인 보강에 의해서 확실하게 된다. DE 103 08 382 B3과 EP 1 394 880 A1으로부터 연료전지스택을 보강하기 위한 가능성이 알려져 있다. 실내온도로부터 작동온도로의 가열과정 동안 열적으로 유도된 스택 길이의 변화가 보강에 의해서 보상된다.
이 경우 보강을 이루기 위한 구성요소들은 내부에 있으며, 즉 EP 1 394 880 A1에서와 마찬가지로 고체산화물 연료전지스택의 작동온도에 노출된다. 예를 들면 요구되는 보강력은 가스가 채워진 벨로우즈(bellows)나 다른 팽창계수를 가지는 물질을 조합하여 형성된 팽창요소에 의해서 발생 된다.
이 점에 있어서, 고체산화물 연료전지의 높은 작동온도를 견딜 수 있는 비싼 물질이 고체산화물 연료전지스택을 보강하기 위하여 사용되어야 한다는 것은 불리하다. 게다가 복원력(resiliency)의 손실은 사용되는 고온의 합금에서 발생하고, 이는 고체산화물 연료전지스택의 좌굴(buckling)로 이어질 수 있다.
대안으로 외부 즉 고체산화물 연료전지스택의 단열부 외측에 보강을 배열하는 것이 또한 알려져 있다. 그러한 해결책은 예를 들면 DE 103 08 382 B3로부터 알려진대로 단열을 통한 연료전지스택에 작용하는 보강이다.
이러한 배열(arrangement)의 단점은 단열의 중단(retreat of the insulation)에 의해 발생하는 문제들이다. 게다가 단열을 지나서 작용하는 보강수단이 요구되는 보강력을 전달하기 위해 사용되는 경우에는 연료전지스택에 도달하기가 어렵다.
연료전지스택의 결합(coherence)을 보장하고 스택의 좌굴을 방지하기 위하여 축방향 보강력이 실내온도와 작동온도 사이의 전체적인 온도범위에 대하여 요구된다.
그러므로 연료전지스택의 끝에서 판들은 심지어 고온에 기인한 물질의 강도가 감소하는 경우에도 스택의 좌굴을 방지하기 위하여 일반적으로 큰 덩어리로 형성된다.
본 발명의 목적은 적어도 부분적으로 앞서 언급한 단점들은 극복한 고체산화물 연료전지스택을 위한 일반적인(generic) 보강판을 제공하는 것이다.
보강판(10)에는 다수의 층(20, 40)이 형성되며, 연료전지스택에 접하는 제1층(20)과 상기 제1층에 인접하여 배치되며, 연료전지스택의 반대측에 배열되는 제2층(40)이 구비되며, 상기 제2층(40)은 상기 제1층(20)보다 높은 굽힘 강성을 가지는 것에 의해 상기의 목적이 달성될 수 있다.
보강판의 다층구조는 보강판에서의 다른 물질과 물질 특성의 조합을 가능하게 해주므로, 일정한 두께에서 덜 무겁고 가볍고 단단해진다. 보강판의 높은 강성은 실내온도에서 다른 팽창계수에 기인한 스택의 좌굴을 방지하고, 작동온도에서 베이스플레이트(base plate)와 커버플레이트(cover plate)의 편평도(flatness)를 보장한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 보강판의 개략도,
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 보강판의 개략도,
도 3은 고정되어 장착된 상태에서의 도 1에 나타난 보강판의 개략도이다.
상기의 목적은 청구항 1에 따른 보강판에 의해서 달성된다.
바람직한 실시 예와 더 나은 발명의 전개는 종속항으로부터 명백해진다.
본 발명에 따른 보강판은 최근의 기술에 바탕을 두며, 보강판에는 다수의 층이 형성되며, 연료전지스택에 접하는 제1층과 상기 제1층에 인접하여 배치되며, 연료전지스택의 반대측에 배열되는 제2층이 구비되며, 제2층은 제1층보다 높은 굽힘 강성(bending rigidity)을 가진다. 보강판의 다층구조는 보강판에서의 다른 물질(different material)과 물질 특성(material property)의 조합을 가능하게 해준다. 이런 식으로 보강판을 설계한 결과 요구사항에 따라 일정한 두께에서 덜 무겁고 가볍고 단단해진다. 보강판의 높은 강성은 실내온도에서 다른 팽창계수에 기인한 스택의 좌굴을 방지하고, 작동온도에서 베이스플레이트와 커버플레이트의 편평도(flatness)를 보장하기 위하여 요구된다. 페라이트강재(ferritic steel)로 형성되는 종단플레이트(terminating plate)는 크리핑(creeping)으로의 강한 성향에 의해서 변형되는 경향을 가진다.
제1층과 제2층이 서로서로 고정되어 연결되는 것은 유용하게 고려될 수 있다. 제1층과 제2층 사이의 단단한 연결은 예를 들면 스크류 결합이나 용접에 의해 이루어질 수 있다. 제1층과 제2층 사이의 단단한 연결은 장착 즉 특별히 연료전지스택의 보강을 촉진시킨다.
제2층은 내화세라믹으로 이루어지는 것에 의해 보강판은 좀 더 유리하게 발전될 수 있다. 예를 들어 단열내화벽돌(insulating refractory brick), 내화래밍혼합물(refractory ramming mixture), 내화콘크리트(refractory concrete) 또는 샤모트(chamotte) 같은 내화세라믹은 심지어 높은 온도에서도 높은 굽힘 강성을 가지며, 이 때문에 보강판을 강화하는데 내화세라믹이 충분히 적합하다. 내화세라믹은 다른 특성과 형태대로(in different qualities and forms) 쉽게 구입이 가능하며 저렴하다. 게다가 심지어 높은 온도에서의 그들의 굽힘 강성은 작동온도에서의 연료전지스택의 좌굴을 억제하는데 적합하다. 더 나아가 내화세라믹은 전기를 절연하고 연료전지스택의 첫번째 열단열층으로 작동한다.
더 나아가 제1층은 얇은 금속판으로 이루어지는 것이 고려될 수 있다. 사용되는 얇은 금속판은 그때 직접 연료전지스택에 접촉하게 되고 그 결과 물질을 선택하는데 열팽창 등에 관한 어떤 한계(limitation)가 고려되어야 한다. 일반적으로 얇은 금속판은 연료전지스택과 매우 유사한 기계적인 특성을 가진다. 예를 들면, 보강판은 연료전지스택의 종단커버(terminating cover)로 사용되어, 보강판 영역에서 연료전지스택의 가스기밀유지(gas-tightness)가 더욱 보장된다.
연료전지스택의 반대측에 배치되는 제3층은 보강판 위에 배열되는 것이 유리하게 고려될 수 있다.
더 나아가 제3층은 얇은 금속판으로 이루어지는 것이 고려될 수 있다. 얇은 금속판으로 이루어지는 제3층은 제2층을 통하여 연료전지스택에 균일하게(uniformly) 보강력을 전달하기 위해 사용될 수 있다. 얇은 금속판은 일체로 형성되거나 다수 개의 부품으로 이루어질 수 있는데 즉 하나의 완전한 판이거나 보강스크류 영역의 금속에 형성된 개별적인 큰 와셔(large washer)를 포함하여 이루어진다. 이는 정확히(punctually) 작용하는 보강력에 의한 파손(breaking)이 방지될 수 있기 때문에 내화세라믹의 안정성의 관점에서는 유리할 수 있다.
제2층과 제3층은 서로서로 고정되어 연결되는 것이 편리하게 고려될 수 있다. 제2층과 제3층 사이의 고정된 연결은 예를 들면 스크류 결합이나 용접에 의해 이루어진다. 이는 특별히 보강을 단순화하는 것에 의해 고체산화물 연료전지스택의 장착을 촉진시킨다.
더 나아가 연료전지스택을 보강하기 위한 수단이 제2층 영역에 배치되는 것이 고려될 수 있다. 연료전지스택을 보강하기 위해 사용되는 수단은 예를 들면 연결봉과 보강판이 조합된 연료전지스택의 좌굴을 방지하기 위한 간단한 보강스크류(bracing screw)일 수 있다.
보강 수단은 적어도 하나의 적층세라믹스프링과 적어도 하나의 세라믹연결봉을 포함하여 이루어지는 것이 유용하게 고려될 수 있다. 일반적으로 보강 수단의 복원력(resiliency)의 손상은 연료전지스택이 가열될 때 내열강(high temperature resistant alloy)의 사용으로 인해 발생한다. 이는 결과적으로 유출(leakage)로 이어져 연료전지스택의 기능성을 위태롭게 할 수도 있다. 이런 목적으로 연료전지스택을 보강하기 위해 연료전지스택에 보강력을 전달하는 모든 수단은 세라믹 물질로 만들어진다. 이런 식으로 실내온도와 작동온도 사이의 반복되는 온도변화 이후에도 연료전지스택의 보강이 지속되는 것에 의해 내열강의 크리핑 프로세스(creeping processe)에 의한 복원력의 손상이 방지된다.
본 발명에 따른 연료전지스택을 보강하기 위한 장치는 최근의 기술에 바탕을 두며, 적어도 하나의 보강판에는 다수의 층이 형성되며, 연료전지스택에 접하는 제1층과 제1층에 인접하여 배치되며, 연료전지스택의 반대측에 배열되는 제2층이 구비되며, 제2층은 제1층보다 높은 굽힘 강성을 가진다.
본 발명의 바람직한 실시 예는 아래의 도면을 참조하는 예들에 의해 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 보강판의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 보강판의 개략도이고, 도 3은 고정되어 장착된 상태에서의 도 1에 나타난 보강판의 개략도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 보강판(10)의 개략도이다. 보강판(10)은 제1층(20), 제2층(40), 및 제3층(30)을 포함하여 이루어진다. 게다가 연결봉(60)에 연결되는 보강스크류(50)가 보여진다. 도면에 따르면 연결봉(60)은 연료전지스택(70)을 통과한다. 연결봉이 연료전지 자체를 통과하는 것이 아니라 반응제(reaction agent) 공급과 배출 영역을 통과하거나 연료봉이 실제 스택 외부의 스택을 둘러싸는 단열재(insulation)를 통하여 안내되는 것도 실현 가능하다. 일반적으로 연결봉(60)을 고정하기 위한 가능성이 도시된 보강판(10)의 반대인 연료전지스택(70)의 끝에 제공된다. 예를 들면 다른 보강판(10) 연료전지스택(70)의 다른 쪽에 제공될 수 있으나, 연료전지스택(70)의 좌굴은 주로 한 방향으로만 일어나므로 보여지지 않는 연료전지스택(70) 측에서의 덜 복잡한 구조가 구현되는 것이 또한 가능하다. 제2층(40)은 내화세라믹물질로 이루어지는데 비해 제1층(20)과 제3층(30)은 얇은 금속판으로 이루어진다.
도 1에 나타난 보강판(10)은 연료전지스택(70)에 완전히 장착된 것은 아니며, 이는 제1층(20)과 연료전지스택(70) 사이의 갭(gap)에 의해 인지된다. 보강스크류(50)는 제3층(30)을 통하여 연결봉(60)에 끼워져 실내온도에서 제3층(30)을 통하여 제2층(40), 제1층(20), 및 연료전지스택(70)에 균일하게 보강력을 전달한다.
실내온도에서 보강판(10)은 다른 팽창계수에 의한 연료전지스택(70)의 좌굴을 방지한다. 도 1에 연료전지스택(70)의 보강은 단지 실내온도에서 단지 충분하다. 실질적으로, 가열될 때 보강 수단과 연료전지스택(70)의 다른 열팽창계수를 보상해주는 탄성요소들은 빠져있다. 연료전지스택(70)은 도시된 보강과 함께 장착될 수 있으나, 활성화되기 전에 최종 보강(final bracing)과 함께 제공되어야만 한다. 상기 보강은 연료전지스택(70)의 단열재 내부의 내열형(temperature--resistant form)이거나 단열재 외부의 비내열형(non-temperature--resistant form)으로 선택적으로 구현될 수 있다. 최종 보강에 의해 보강판(10)에 적용되는 보강력은 얇은 금속판으로 이루어지는 제3층에 작용한다. 이렇게 연료전지스택(70)의 소성변형(plastic deformation)이 방지되는 식으로 정확히 적용되는 보강력은 보강판(10)에 균등하게 분산된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 보강판의 개략도이다. 보강판(10)은 다시 얇은 금속판으로 이루어지는 제1층(20)과 예를 들어 단열내화벽돌, 내화래밍혼합물, 내화콘크리트 또는 샤모트와 같은 내굴곡내화세라믹물질(bending-resistant refractory ceramic material)로 이루어지는 제2층(40)을 포함하여 이루어진다. 바람직하게는 제2층(40)은 금속섬유(metal fibre)나 강옥막대(corundum rod)나 다른 강화물질(reinforcing material)에 의해 강화될 수 있다. 더 나아가 제2층(40) 영역에는 공동(空洞)(100)이 제공되는데 이는 셔터편(90)에 의해 닫혀질 수 있다. 공동(100)의 내에는 적층세라믹스프링(80)이 배열되며, 이것은 보강스크류(110)를 통하여 세라믹 연결봉(60)에 결합되어, 연료전지스택(70)에 보강력을 발휘한다. 적층스프링(80)의 배열을 바꾸거나 다수의 적층스프링을 제공하는 것에 의해 연료전지스택의 다른 구조들(different geometries)로의 조정이 이루어지는 것이 또한 가능하다. 적층스프링(80)을 수용하기 위한 공동(100)은 엄격하게 요구되지는 않는다. 세라믹 물질의 해당하는 구조(corresponding structuring)이면 충분하다.
도 1에 도시된 보강판에 유사한 도시된 보강판(10)은 제1층(20)과 연료전지스택(70) 사이의 갭에 의해 인지될 수 있듯이 아직 완전히 장착되지 않은 상태로 보여진다. 도 1에서와 마찬가지로 연료전지스택(70)의 반대측은 나타나지 않는다. 그러나 도 1의 적용과 관련하여 발생하는 유사한 논쟁과, 적어도 하나 이상의 심지어 간단한 연료전지스택(70)을 보강하기 위한 가능성이 연료전지스택(70)의 반대측에 제공되어야만 한다.
도 1에 나타난 보강판과 대조적으로 도 2에 나타난 보강판(10)에서는 연료전지스택의 좌굴이나 변형이 실내온도뿐만 아니라 연료전지스택(70)의 작동온도에서도 방지된다. 이것은 연료전지스택(70)을 보강하기 위해 가열되는 경우에도 복원력의 손상을 보이지 않는 세라믹물질을 사용함과 적층세라믹스프링(80)을 탄성요소로 사용함에 의해 가능해진다.
도 3은 고정되어 장착된 상태에서의 도 1에 나타난 보강판의 개략도이다. 더 이상 제1층(20)과 연료전지스택(70) 사이에 존재하는 갭은 없으며, 보강스크류(50)에 의해 적용되는 보강력이 균일한 압력으로 전달된다. 더 나아가 연료전지스택(70)의 상단 부분(upper part)이 보이는데, 개별적인 연료전지가 스택 내부의 평행선에 의해 표시된다. 이 경우 평행선은 개별적인 전지들을 동시에 형성하는 다른 물질의 층들(layers)이다.
상기의 설명, 도면뿐만 아니라 청구항에 개시되어 있는 본 발명의 특징은 발명을 개별적으로 구현하는 것뿐만 아니라 어떤 조합에 의해 구현하는데도 중요할 수 있다.
10 : 보강판(bracing plate)
20 : 제1층(first layer)
30 : 제3층(third layer)
40 : 제2층(second layer)
50 : 보강스크류(bracing screws)
60 : 연결봉(draw bars)
70 : 연료전지스택(fuel cell stack)
80 : 적층세라믹스프링(laminated ceramic spring)
90 : 셔터편(shutter piece)
100 : 공동(空洞)(cavity)
110 : 보강스크류(bracing screws)

Claims (10)

  1. 연료전지스택(70)을 보강하기 위한 보강판(10)에 있어서,
    상기 보강판(10)에는 다수의 층(20, 40)이 형성되며,
    연료전지스택에 접하는 제1층(20)과 상기 제1층에 인접하여 배치되며, 연료전지스택의 반대측에 배열되는 제2층(40)이 구비되며,
    상기 제2층(40)은 상기 제1층(20)보다 높은 굽힘 강성을 가지는 것을 특징으로 하는 보강판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1층(20)과 제2층(40)은 서로서로 고정되어 연결되는 것을 특징으로 하는 보강판.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제2층(40)은 내화세라믹물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 보강판.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1층(20)은 얇은 금속판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 보강판.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료전지스택(70)의 반대측에 배치되는 상기 제3층(30)은 상기 보강판(10) 위에 배열되는 것을 특징으로 하는 보강판.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3층은 얇은 금속판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 보강판.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2층과 제3층은 서로서로 고정되어 연결되는 것을 특징으로 하는 보강판.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료전지스택을 보강하기 위한 수단(80)이 상기 제2층(40) 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 보강판.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 보강 수단은 적어도 하나의 적층세라믹스프링(80)과 적어도 하나의 세라믹연결봉(60)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보강판.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 보강판을 포함하여 이루어지는 연료전지스택(70)을 보강하기 위한 장치에 있어서,
    적어도 하나의 보강판(10)에는 다수의 층(20, 40)이 형성되며,
    연료전지스택(70)에 접하는 제1층(20)과 상기 제1층에 인접하여 배치되며, 연료전지스택(70)의 반대측에 배열되는 제2층(40)이 구비되며,
    상기 제2층(40)은 상기 제1층(20)보다 높은 굽힘 강성을 가지는 것을 특징으로 하는 보강판.
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