KR20100114686A - 복수 개의 발전 모듈들을 갖는 연료 전지 스택 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

복수 개의 발전 모듈들을 갖는 연료 전지 스택 및 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

연료 전지 스택 및 이 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 연료 전지 스택은 연료의 에너지로부터 단위 전력을 발생시키는 복수 개의 셀들이 적층되어 있는 복수 개의 발전 모듈이 다시 적층되어 있는 구조를 갖고 있으며, 연료 전지 시스템은 부하의 소모 전력량을 고려하여 발전 모듈들의 전체 또는 일부를 작동시킨다.

Description

복수 개의 발전 모듈들을 갖는 연료 전지 스택 및 연료 전지 시스템 {Fuel cell stack and fuel cell system with a plurality of generation modules}
본 발명의 적어도 하나의 실시예는 연료 전지 스택 및 이 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지(fuel cell)는 수소 등과 같이 지구상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기 에너지를 발생시키는 친환경적 대체 에너지 기술로서 태양 전지(solar cell) 등과 함께 각광을 받고 있다. 일반적으로, 연료 전지는 단위 전력을 발생시키는 다수의 셀(cell)들이 결합된 스택(stack) 형태로 되어 있다. 대용량의 전력을 발생시키기 위하여, 연료 전지 스택을 구성하는 셀들의 수를 증가시키거나, 여러 개의 연료 전지 스택을 병렬 또는 직렬로 연결시킨다.
연료 전지 스택의 발전 효율은 연료 전지 스택으로 공급된 연료량에 대한 연료 전지 스택에 의해 생성된 전력량의 비율로 결정된다. 일반적으로, 연료 전지 스택에 의해 생성 가능한 전력량에 대한 부하의 소모 전력량의 비율이 50%이하가 되는 부분 부하에서도 연료 전지 스택에 주입되는 연료량을 균일하게 유지하기 위해 연료 전지 스택에 일정 수준 이상의 연료량을 공급한다. 이것은 연료 전지 스택 내 부에서 연료가 흐르기 위해서는 일정 수준 이상의 유압이 필요하다는 데에서 기인한다. 따라서, 부분 부하에서 연료 전지 스택을 작동시키는 경우에 연료 전지 스택의 발전 효율은 저하되게 된다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 부분 부하에서 연료 전지 스택을 작동시키는 경우에도 연료 전지 스택의 발전 효율을 일정하게 유지시킬 수 있는 연료 전지 스택 및 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다. 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다. 이것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자들이라면 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은 복수 개의 발전 모듈들 및 상기 발전 모듈들 사이에 위치하여 상기 발전 모듈들간을 절연시키는 절연판들을 포함하고, 상기 발전 모듈들 각각은 연료의 에너지로부터 단위 전력을 발생시키는 복수 개의 셀들 및 상기 셀들에 의해 발생된 전력을 수집하는 집전판들을 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료의 에너지로부터 단위 전력을 발생시키는 복수 개의 셀들이 적층되어 있는 복수 개의 발전 모듈들이 다시 적층되어 있는 구조의 연료 전지 스택, 부하의 소모 전력량을 고려하여 상기 발전 모듈들의 전체 또는 일부의 작동을 제어하기 위한 신호를 생성하는 제어부, 및 상기 제어부에 의해 생성된 제어 신호에 따라 상기 발전 모듈들 전체 또는 일부로부터 출력된 전력을 부하로 공급하기 위한 전력으로 변환하는 전력 변환부를 포함한다.
상기된 바에 따르면, 부하의 소모 전력량에 비례하는 개수의 발전 모듈들만을 작동시킴으로써 연료 전지 스택의 연료 이용률을 극대화할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택(fuel cell stack)(1), 제어부(2), BOP(Balance Of Plant)(3), 및 전력 변환부(power converter)(4)로 구성된다. 연료 전지 스택(1)은 연료의 에너지로부터 단위 전력을 발생시키는 복수 개의 셀들이 적층되어 있는 복수 개의 발전 모듈들이 다시 적층되어 있는 구조를 갖는다.
도 2는 도 1에 도시된 연료 전지 스택(1)의 상세 구성도이다. 도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 연료 전지 스택(1)은 네 개의 발전 모듈들(11-14), 발전 모듈들(11-14) 사이에 위치하여 발전 모듈들(11-14)간을 절연시키는 절연판(insulator plate)들(15-17), 및 이 발전 모듈들(11-14)을 체결하는 두 장의 엔드판(end plate)들(18, 19)로 구성된다. 엔드판은 압력판(pressure plate)으로 호칭되기도 한다. 이와 같이, 도 2에 도시된 연료 전지 스택(1)은 여러 개의 독립적인 발전 모듈들(11-14)에 대해서 두 장의 엔드판만이 요구되기 때문에 종래에 복수 개의 연료 전지 스택들을 병렬 내지 직렬로 연결하는 시스템에 비해 그 크기가 축소될 수 있다. 특히, 도 2에 도시된 엔드판들(18, 19)은 엔드판들(18, 19) 각각에 접해 있는 절연판들과 일체화된 형태로 되어 있다.
여기에서, 네 개의 발전 모듈들(11-14)은 일례일 뿐이며, 다른 개수의 발전 모듈들로 구성될 수 있음을 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 종래에는 연료 전지 스택 중 일부 셀이 고장난 경우에 연료 전지 스택 전체를 교체하였으나, 본 실시예에 따르면 발전 모듈 별로 교체가 가능하기 때문에 고장난 셀이 포함된 발전 모듈만을 교체할 수 있어 연료 전지 스택의 수리가 간편하다.
다시, 발전 모듈(11)은 연료의 에너지로부터 단위 전력을 발생시키는 네 개의 셀(cell)들(111-114), 셀들(111-114) 사이에 위치하여 셀들(111-114)을 냉각시키기 위한 냉각판(cooling plate)(115) 및 셀들(111-114) 중 가장 바깥쪽의 두 개의 셀들(111, 114) 각각에 접해 있는 두 장의 집전판(current collector plate)들(116, 117)로 구성된다. 보다 상세하게 설명하면, 셀들(111-114) 각각은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 전기 화학적 반응 (electrochemical reaction)을 이용하여 직접 전기 에너지로 변환함으로써 DC(Direct Current) 전력을 생성하는 발전 장치이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 발전 모듈들(11-14)은 두 장의 엔드판들(18, 19) 사이에 적층되어 있고, 셀들(111-114)은 두 장의 집전판들(116, 117) 사이에 적층되어 있다. 셀들(111-114) 각각은 연료, 예를 들어 수소가 공급되는 음극판(cathode plate), 수소로부터 분리된 전자를 통과시키지 않고, 양자만을 통과시키는 양자 교환 막(proton exchange membrane), 및 공기, 즉 산소가 공급되는 양극판(anode plate)으로 구성된다. 즉, 셀들(111-114) 각각의 표면 중 한 면은 양극판이고, 다른 면은 음극판이다.
엔드판들(18, 19)은 셀들(111-114)간의 통전(current flow)과 셀들(111-114) 중 가장 바깥쪽의 셀들(111, 114)과 집전판들(116, 117)간의 통전이 가능한 체결압으로 발전 모듈들(11-14)을 체결한다. 예를 들어, 발전 모듈(11)의 집전판(116)이 양극이고 집전판(117)이 음극이라면, 엔드판들(18, 19)은 집전판(116)과 셀(111)의 양극판 사이에 전류가 흐를 수 있도록, 셀(111)의 음극판과 셀(112)의 양극판 사이에 전류가 흐를 수 있도록, 셀(112)의 양극판과 냉각판(115) 사이에 전류가 흐를 수 있도록, 냉각판(115)과 셀(113)의 양극판 사이에 전류가 흐를 수 있도록, 셀(113)의 음극판과 셀(114)의 양극판 사이에 전류가 흐를 수 있도록, 셀(114)의 양극판과 집전판(116) 사이에 전류가 흐를 수 있도록 적당한 압력으로 발전 모듈들(11-14)을 체결한다. 다른 발전 모듈들(12-13)에 대해서도 마차가지이다. 엔드판들(18, 19)은 연료 전지 스택(1)을 관통하는 체결 기구, 예를 들어 볼트와 너트에 의해 체결될 수 있다.
제어부(2)는 부하(5)의 소모 전력량을 고려하여 발전 모듈들(11-14)의 전체 또는 일부의 작동을 제어하기 위한 신호를 생성한다. 보다 상세하게 설명하면, 제어부(2)는 부하(5)로부터 피드백된 결과에 기초하여 전력 변환부(4)에 의해 공급 가능한 최대 전력량에 대한 부하(5)의 소모 전력량의 비율을 산출하고, 이와 같이 산출된 비율에 따라 발전 모듈들(11-14)의 전체 또는 일부의 작동을 제어하기 위한 신호를 생성한다.
예를 들어, 전력 변환부(4)에 의해 공급 가능한 최대 전력량에 대한 부하(5)의 소모 전력량의 비율이 100-51%인 경우에 제어부(2)는 발전 모듈들(11-14)의 전체 작동을 제어하기 위한 신호를 생성한다. 전력 변환부(4)에 의해 공급 가능한 최대 전력량에 대한 부하(5)의 소모 전력량의 비율이 50-26%인 경우에 제어부(2)는 발전 모듈들(11-14) 중 절반의 작동을 제어하기 위한 신호를 생성한다. 전력 변환부(4)에 의해 공급 가능한 최대 전력량에 대한 부하(5)의 소모 전력량의 비율이 25%이하인 경우에 제어부(2)는 발전 모듈들(11-14) 중 어느 하나의 작동을 제어하기 위한 신호를 생성한다.
종래에는 전력 변환부(4)에 의해 공급 가능한 최대 전력량에 대한 부하(5)의 소모 전력량의 비율이 100-51%인 경우에 80% 이상의 연료 이용률을 나타냈는데, 본 실시예에 따르면 전력 변환부(4)에 의해 공급 가능한 최대 전력량에 대한 부하(5)의 소모 전력량의 비율에 관계없이 항상 80% 이상의 연료 이용률을 나타낼 수 있게 된다. 즉, 본 실시예에 따르면, 부하(5)의 소모 전력량에 비례하는 개수의 발전 모듈들만을 작동시킴으로써 발전 모듈들의 연료 이용률을 극대화할 수 있고, 연료 전지 스택(1) 전체의 온도를 올리지 않아도 되기 때문에 연료 전지 스택(1)의 기동 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 전력 변환부(4)에 의해 공급 가능한 최대 전력량에 대한 부하(5)의 소모 전력량의 비율이 50%이하가 되는 부분 부하에서도 높은 전류 밀도(current density)로 각 발전모듈들을 작동시킬 수 있기 때문에 매우 효율적이다.
또한, 제어부(2)는 부하(5)의 소모 전력량 외에 발전 모듈들(11-14) 각각의 작동 이력(operating history)을 고려하여 발전 모듈들(11-14) 각각의 작동을 제어하기 위한 신호를 생성할 수도 있다. 보다 상세하게 설명하면, 제어부(2)는 발전 모듈들(11-14) 각각의 작동 시간 등과 같은 발전 모듈들(11-14) 각각의 작동 이력에 기초하여 발전 모듈들(11-14)간의 우선 순위를 결정하고, 상기 결정된 우선 순위에 따라 발전 모듈들(11-14) 각각의 작동을 제어하기 위한 신호를 생성한다. 즉, 발전 모듈들(11-14)에 대해 그 작동 시간이 짧은 순서대로 우선 순위를 부여함으로써 발전 모듈들(11-14) 각각의 운전 시간을 고르게 분배할 수 있다. 이에 따라, 연료 전지 스택(1) 전체의 내구성이 향상된다.
BOP(3)는 발전 모듈들(11-14) 내의 셀들을 작동시키기 위한 주변 기기들로서, 발전 모듈들(11-14) 내의 셀들 각각에 연료, 예를 들어 수소를 공급하는 펌프, 이 연료를 산화시키기 위한 산화제, 예를 들어 공기, 산소 등을 공급하는 펌프, 냉각수(coolant)를 공급하는 펌프 등으로 구성된다. 특히, BOP(3)는 제어부(2)에 의해 생성된 제어 신호가 지시하는 발전 모듈들(11-14)의 전체 또는 일부에 연료, 공기, 냉각수를 공급한다. 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 시동 시점에서, BOP(3)는 연료 전지 시스템 내부의 별도의 배터리, 대용량 커패시터 등(미 도시)으로부터 공급된 전력, 또는 연료 전지 시스템 외부로부터 공급된 전력을 이용하여 구동된다. BOP(3)는 발전 모듈들(11-14)을 작동시켜 발전 모듈들(11-14)로부터 일정한 DC 전력이 출력되면, 발전 모듈들(11-14)로부터 공급된 전력을 이용하여 구동된다.
전력 변환부(4)는 제어부(2)에 의해 생성된 제어 신호에 따라 발전 모듈들(11-14)의 전체 또는 일부로부터 출력된 전력을 부하(5)로 공급하기 위한 전력으로 변환한다. 전력 변환부(4)는 일종의 DC-DC 컨버터(converter)로서 제어부(2)의 제어에 따라 발전 모듈들(11-14) 전체 또는 일부의 조합에 의해 생성된 전압을 부하(5)에 적합한 전압으로 변환한다. 특히, 전력 변환부(4)는 제어부(2)의 제어에 따라 발전 모듈들(11-14)을 직렬로 연결함으로써 보다 높은 전압을 부하(5)에 공급할 수도 있고, 발전 모듈들(11-14)을 병렬로 연결함으로써 보다 높은 전류를 부하(5)에 공급할 수도 있다.
특히, 본 실시예에 따르면, 발전 모듈들(11-14) 마다 셀들의 개수는 서로 다르게 할 수 있다. 예를 들어, 발전 모듈(11)의 셀들의 개수를 4 개로 하고, 발전 모듈(12)의 셀들의 개수를 3 개로 하고, 발전 모듈(13)의 셀들의 개수를 2 개로 하고, 발전 모듈(14)의 셀들의 개수를 1 개로 할 수 있다. 이에 따라, 본 실시예의 연료 전지 시스템은 부하(5)의 소모 전력량에 보다 정확하게 부합하도록 발전 모듈들(11-14) 각각을 작동시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택(1)의 배관 구조를 도시한 도면이다. 도 3의 (a)를 참조하면, 도 2에 도시된 발전 모듈들(11-14) 각각에 독립적으로 연료를 공급하기 위한 관(pipe)이 연결되어 있다. 도 3의 (b)를 참조하 면, 도 2에 도시된 발전 모듈들(11-14) 각각에 독립적으로 산화제, 예를 들어 공기를 공급하기 위한 관이 연결되어 있다. 도 3의 (c)를 참조하면, 도 2에 도시된 발전 모듈들(11-14) 각각에 독립적인 냉각수를 공급하기 위한 관이 연결되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 연료 관, 공기 관, 냉각수 관에서 연료, 공기, 냉각수가 주입되는 부분에 밸브가 설치되어 있다. 제어부(2)는 각 관에 설치된 밸브의 개폐를 제어함으로써 발전 모듈들(11-14)의 전체 또는 일부의 작동을 제어할 수 있다. 아니면, 제어부(2)는 BOP(3)에 의한 발전 모듈들(11-14)의 전체 또는 일부로의 연료, 공기, 냉각수의 공급을 제어함으로써 전 모듈들(11-14)의 전체 또는 일부의 작동을 제어할 수도 있다. 또한, 연료, 공기, 냉각수의 역류를 방지하기 위하여 연료 관, 공기 관, 냉각수 관에서 연료, 공기, 냉각수가 배출되는 부분에 밸브가 설치될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택(1)의 절연판들(15-17) 각각의 구조를 도시한 도면이다. 도 4의 (a)를 참조하면, 도 2에 도시된 절연판들(15-17) 각각은 절연 기능과 냉각 기능을 동시에 구비한다. 이를 위해, 절연판들(15-17) 각각에는 발전 모듈들(11-14) 내부의 셀들을 냉각시키기 위한 냉각수가 통과되는 통로가 마련되어 있다. 특히, 절연판들(15-17) 각각의 내부의 냉각수 통로는 냉각 성능을 높이기 위하여 도 4의 (b)에 도시된 채널 형태(channeled form)의 구조, 도 4의 (c)에 도시된 물결 형태(corrugated form)의 구조, 또는 도 4의 (d)에 도시된 망사 형태(meshed form)의 구조를 갖는다.
절연판들(15-17) 각각은 그 전체가 절연 물질로 제조될 수 있으나, 냉각 기 능을 높이기 위하여 냉각수 통로의 주위를 포함하는 절연판 내부는 열전도성이 우수한 물질로 제조되고, 셀과 접촉되는 절연판 표면은 절연 물질로 제조될 수도 있다. 여기에서, 열전도성이 우수한 물질이란 열전도율이 소정 값 이상인 물질을 의미하며, 일반적으로 금속 물질이 해당된다. 예를 들어, 열전도성이 매우 우수한 물질로 알려진 구리의 열전도율은 390W/m·K이고, 절연판들(15-17) 각각의 내부는 390W/m·K 이상인 물질로 제조될 수 있다. 절연 물질의 예로는 폴리머(polymer), 유기 합성물( organic composite material), 무기 합성물(inorganic composite material), 세라믹 물질(ceramic material) 등을 들 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택(1)의 절연판들(15-17) 각각의 다른 구조를 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 도 2에 도시된 절연판들(15-17) 각각은 절연 기능과 가스 공급 기능을 동시에 구비한다. 이를 위해, 절연판들(15-17) 각각에는 가스가 통과되는 통로가 마련되어 있다. 여기에서, 가스란 연료에 해당하는 수소 가스가 될 수도 있고, 산화제에 해당하는 공기, 산소가 될 수도 있다. 이하에서는 어느 한 종류의 가스가 통과되는 통로의 관점에서 설명할 수도 있으나, 이와 같은 통로가 병행 설치되어 두 가지 종류의 가스들의 통로들로 구현될 수 있음을 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상을 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
도 5의 (a)에 도시된 절연판들(15-17) 각각에는 발전 모듈들(11-14) 중 어느 하나로 가스를 주입하고, 발전 모듈들(11-14) 중 어느 하나로부터 가스를 주입받아서 배출하기 위한 통로가 마련되어 있다. 도 5의 (b)에 도시된 절연판들(15-17) 각 각에는 발전 모듈들(11-14) 각각에 가스를 공급하기 위한 공통의 통로가 마련되어 있고, 발전 모듈들(11-14) 중 어느 하나로부터 가스를 주입받아서 배출하기 위한 통로가 마련되어 있다. 특히, 상기된 공통의 통로에서 발전 모듈들(11-14) 중 두 개의 발전 모듈 사이에 해당하는 부분에는 밸브가 설치되어 있다. 제어부(2)는 두 개의 발전 모듈 사이에 해당하는 부분에 설치된 밸브의 개폐를 제어함으로써 발전 모듈들(11-14)의 전체 또는 일부의 작동을 제어할 수 있다. 제어부(2)의 제어에 의해 전체 밸브가 개방되면 발전 모듈들(11-14)의 전체가 작동하게 된다. 제어부(2)의 제어에 의해 가장 우측의 밸브가 폐쇄되면 발전 모듈들(11-13)만이 작동하게 된다. 제어부(2)의 제어에 의해 가장 우측의 밸브와 중간 위치의 밸브가 폐쇄되면 발전 모듈들(11-12)만이 작동하게 된다. 제어부(2)의 제어에 의해 두 개의 발전 모듈 사이에 해당하는 부분에 설치된 모든 밸브가 폐쇄되면 발전 모듈(11)만이 작동하게 된다.
도 5의 (c)에 도시된 절연판들(15-17)의 통로에는 절연판들(15-17)을 관통하는 가스 분배 관이 마련되어 있다. 이 가스 분배 관에는 절연판들(15-17) 각각을 관통하는 위치에 절연판들(15-17)마다 서로 다른 각도를 갖는 일정한 크기의 구멍(opening)들과 절연판들(15-17)의 전체 또는 일부에 대해 동일한 각도를 갖는 일정한 크기의 구멍들이 형성되어 있다. 이 구멍들을 통하는 절연판들(15-17) 내부의 통로는 발전 모듈들(11-14) 각각의 가스 통로와 연결되어 있다. BOP(3)에는 이 가스 분배 관을 회전시키기 위한 모터 등의 장치가 추가된다. 제어부(2)는 부하(5)의 소모 전력량을 고려하여 이 가스 분배 관을 회전시키기 위한 장치의 작동을 제어한 다. 도 5의 (c)를 참조하면, 발전 모듈들(11-14)로 공급될 가스는 가스 분배 관의 하나의 입구로 주입되고, 제어부(2)는 가스 분배 관의 회전 각도를 조절함으로써 발전 모듈들(11-14)의 전체 또는 일부로 가스를 공급할 수 있다.
도 6a-b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택(1)의 절연판들(15-17) 각각의 또 다른 구조를 도시한 도면이다. 도 6a-b를 참조하면, 도 2에 도시된 절연판들(15-17) 각각은 절연 기능, 냉각수 공급 기능 및 가스 공급 기능을 동시에 구비한다. 이를 위해, 절연판들(15-17) 각각에는 냉각수가 통과되는 통로와 가스가 통과되는 통로가 마련되어 있다. 예를 들어, 절연판들(15-17) 각각에는 도 4의 (a)에 도시된 냉각수 통로와 도 5의 (a)에 도시된 가스 통로가 함께 설치될 수 있다. 도 6a-b에는 도 4의 (a)에 도시된 냉각수 통로와 도 5의 (a)에 도시된 가스 통로가 함께 설치된 절연판의 일례가 도시되어 있다.
도 6a에는 절연판의 정면도가 도시되어 있고, 도 6b에는 절연판의 측면도가 도시되어 있다. 도 6a-b를 참조하면, 절연판의 상부의 일 부분에는 이 절연판의 정면에 접해 있는 이웃 발전 모듈로부터 산화제, 예를 들어 공기를 주입받아서 배출하는 통로가 마련되어 있고, 상부의 나머지 부분에는 연료를 주입받아서 이 절연판의 후면에 접해 있는 다른 이웃 발전 모듈로 배출하는 통로가 마련되어 있다. 절연판의 하부의 일 부분에는 이 절연판의 정면에 접해 있는 이웃 발전 모듈로부터 연료를 주입받아서 배출하는 통로가 마련되어 있고, 하부의 나머지 부분에는 공기를 주입받아서 이 절연판의 후면에 접해 있는 다른 이웃 발전 모듈로 배출하는 통로가 마련되어 있다. 절연판의 중간 부위에는 절연판의 일 측면의 구멍을 통하여 냉각수 를 주입받아서 절연판의 다른 측면의 통하여 냉각수를 배출하는 채널 형태의 통로가 마련되어 있다.
이제까지 본 발명에 대한 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료 전지 스택(1)의 상세 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택(1)의 배관 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택(1)의 절연판들(15-17) 각각의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택(1)의 절연판들(15-17) 각각의 다른 구조를 도시한 도면이다.
도 6a-b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택(1)의 절연판들(15-17) 각각의 또 다른 구조를 도시한 도면이다.

Claims (18)

  1. 복수 개의 발전 모듈들; 및
    상기 발전 모듈들 사이에 위치하여 상기 발전 모듈들간을 절연시키는 절연판들을 포함하고,
    상기 발전 모듈들 각각은
    연료의 에너지로부터 단위 전력을 발생시키는 복수 개의 셀들; 및
    상기 셀들에 의해 발생된 전력을 수집하는 집전판들을 포함하는 연료 전지 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전 모듈들을 체결하는 엔드판들을 더 포함하고,
    상기 발전 모듈들은 상기 엔드판들 사이에 적층되어 있고, 상기 셀들은 상기 집전판들 사이에 적층되어 있는 연료 전지 스택.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 엔드판들은 상기 셀들간의 통전과 상기 셀들 중 가장 바깥쪽의 셀들과 상기 집전판들간의 통전이 가능한 체결압으로 상기 발전 모듈들을 체결하는 연료 전지 스택.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀들의 개수는 상기 발전 모듈들마다 서로 다른 연료 전지 스택.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전 모듈들 각각에 독립적으로 연료를 공급하기 위한 관, 독립적으로 공기를 공급하기 위한 관, 및 독립적으로 냉각수를 공급하기 위한 관이 연결되어 있는 연료 전지 스택.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연판들 각각에는 상기 셀들을 냉각시키기 위한 냉각수가 통과되는 통로가 마련되어 있는 연료 전지 스택.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 통로가 마련되어 있는 절연판들 각각의 내부는 열전도율이 소정 값 이 상인 물질로 제조되고, 상기 절연판들 각각의 표면은 절연 물질로 제조되는 연료 전지 스택.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 통로는 채널 형태(channeled form)의 구조, 물결 형태(corrugated form)의 구조, 또는 망사 형태(meshed form)의 구조를 갖는 연료 전지 스택.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연판들 각각에는 상기 연료 및 상기 연료를 산화시키기 위한 산화제 중 어느 하나에 해당하는 가스가 통과되는 통로가 마련되어 있는 연료 전지 스택.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 절연판들 각각에는 상기 발전 모듈들 중 어느 하나로 상기 가스를 주입하고, 상기 발전 모듈들 중 어느 하나로부터 상기 가스를 주입받아서 배출하기 위한 통로가 마련되어 있는 연료 전지 스택.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 절연판들 각각에는 상기 발전 모듈들 각각에 가스를 공급하기 위한 공통의 통로가 마련되어 있고,
    상기 공통의 통로에서 상기 발전 모듈들 중 두 개의 발전 모듈 사이에 해당 하는 부분에는 밸브가 설치되어 있는 연료 전지 스택.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 통로에는 상기 절연판들을 관통하는 가스 분배 관이 마련되어 있고,
    상기 가스 분배 관에는 상기 절연판들 각각을 관통하는 위치에 상기 절연판들마다 서로 다른 각도를 갖는 구멍들과 상기 절연판들의 전체 또는 일부에 동일한 각도를 갖는 구멍들이 형성되어 있는 연료 전지 스택.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연판들 각각에는 상기 셀들을 냉각시키기 위한 냉각수가 통과되는 통로와 상기 연료 및 상기 연료를 산화시키기 위한 산화제 중 어느 하나에 해당하는 가스가 통과되는 통로가 마련되어 있는 연료 전지 스택.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 절연판들 각각의 제 1 부분에는 각 절연판의 정면에 접해 있는 이웃 발전 모듈로부터 상기 산화제를 주입받아서 배출하는 통로와 상기 연료를 주입받아서 각 절연판의 후면에 접해 있는 다른 이웃 발전 모듈로 배출하는 통로가 마련되어 있고, 제 2 부분에는 각 절연판의 정면에 접해 있는 이웃 발전 모듈로부터 상기 연료를 주입받아서 배출하는 통로와 상기 산화제를 주입받아서 각 절연판의 후면에 접해 있는 다른 이웃 발전 모듈로 배출하는 통로가 마련되어 있고, 제 3 부분에는 상기 냉각수를 주입받아서 배출하는 통로가 마련되어 있는 연지 전지 스택.
  15. 연료의 에너지로부터 단위 전력을 발생시키는 복수 개의 셀들이 적층되어 있는 복수 개의 발전 모듈들이 다시 적층되어 있는 구조의 연료 전지 스택;
    부하의 소모 전력량을 고려하여 상기 발전 모듈들의 전체 또는 일부의 작동을 제어하기 위한 신호를 생성하는 제어부; 및
    상기 제어부에 의해 생성된 제어 신호에 따라 상기 발전 모듈들 전체 또는 일부로부터 출력된 전력을 부하로 공급하기 위한 전력으로 변환하는 전력 변환부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전력 변환부에 의해 공급 가능한 전력량에 대한 상기 부하의 소모 전력량의 비율에 따라 상기 발전 모듈들의 전체 또는 일부의 작동을 제어하기 위한 신호를 생성하는 연료 전지 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 발전 모듈들 각각의 작동 이력(operating history)을 고려하여 상기 발전 모듈들 각각의 작동을 제어하기 위한 신호를 생성하는 연료 전지 시스템.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어부에 의해 생성된 제어 신호가 지시하는 발전 모듈들의 전체 또는 일부에 연료, 공기, 및 냉각수를 공급하는 BOP(Balance Of Plant)를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
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