KR20150077754A - 고온 연료전지용 앤드플레이트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열에 의해 스택이 팽창하여 변형되어도 스택을 안정적으로 지지할 수 있는 고온 연료전지용 앤드플레이트에 관한 것으로서, 상세하게는 고정체의 안쪽에 스프링에 의해 탄성적으로 지지되는 지지판을 설치하여 지지판에 의해 적층체가 지지되게 함으로써 적층체가 온도에 의해 팽창하여도 스택이 뒤틀리거나 기울어지지 않을 뿐만 아니라 압력 분산을 통해 스택들 사이의 밀착 상태가 균일하게 유지될 수 있게 한 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트에 관한 것이다.

Description

고온 연료전지용 앤드플레이트{End plate for fuel cell stack}

본 발명은 고온 연료전지용 앤드플레이트에 관한 것으로, 상세하게는 열에 의해 스택이 팽창하여 변형되어도 스택을 안정적으로 지지할 수 있을 뿐만 아니라, 압력 분산을 통해 스택들 사이의 밀착 상태가 균일하게 유지될 수 있게 한 고온 연료전지용 앤드플레이트에 관한 것이다.

보다 상세하게는 고정체의 안쪽에 스프링에 의해 탄성적으로 지지되는 지지판을 설치하여 지지판에 의해 적층체가 지지되게 함으로써 적층체가 온도에 의해 팽창하여도 스택이 뒤틀리거나 기울어지지 않게 한 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트에 관한 것이다.

연료전지는 연료의 화학에너지를 전기화학 반응을 통해 직접 전기에너지를 발생하는 발전시스템으로 고효율의 청정에너지로 분류된다. 연료전지는 500 ~ 700℃의 온도에서 작동하는 용융탄산염 연료전지와, 700℃ 이상에서 작동하는 고체산화물 연료전지, 저온 200℃에서 작동하는 인산형 연료전지 및 100℃이하에서 운전되는 고분자 전해질 연료전지 등으로 구분한다.

이러한 연료전지 중 용융탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cell, MCFC)는 650℃ 이상의 고온에서 운전되기 때문에 전기화학 반응속도가 빨라 전극재료로 백금촉매 대신 니켈을 사용할 수 있으므로 경제성에서 유리할 뿐만 아니라, 백금전극에는 피독 물질로 작용하는 일산화탄소도 수성가스 전환 반응을 통하여 연료로 이용하는 니켈 전극의 특성은 석탄가스, 천연가스, 메탄올, 바이오매스 등 다양한 연료 선택성을 제공할 수 있다.

또한, MCFC의 고온운전 특성은 연료전지 스택 내부에서 전기화학 반응과 연료개질 반응을 동시에 진행시킨다. 즉, 내부개질 형태의 채용이 가능하도록 하는 장점을 제공한다. 이러한 내부개질형 용융탄산염 연료전지는 전기화학반응의 발열량을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 흡열반응인 개질반응에 이용하므로 외부개질형 MCFC 보다 전체 시스템의 열효율이 추가로 증가하는 동시에 시스템 구성이 간단해 지는 특성을 갖는다.

이러한 통상의 내부개질형 MCFC는 분리판/캐소드 전극/전해질/애노드 전극/내부개질 촉매/분리판의 반복 적층으로 구성된다.

이러한 연료전지 스택과 관련된 기술로는 특허문헌 1 내지 3이 있다.

특허문헌 1은 전해질, 공기극, 연료극, 분리판, 가스켓, 확산층 등 몇 개의 층으로 이루어진 단위 전지를 반복적으로 적층시켜 이들을 전기적으로 직렬로 연결시키고, 양 끝단에 엔드 플레이트를 놓고 가압시킨 후 상기 엔드 플레이트를 체결장치로 체결하여 이루어지는 연료 전지 스택의 체결 구조에 있어서, 상기 체결장치는, 상기 엔드 플레이트 사이에 설치된 막대 형태의 케이싱과; 상기 케이싱 내에 설치되어 상기 엔드 플레이트가 체결되게 하며 형상기억합금으로 이루어진 체결바와; 상기 체결바의 외주면에 감겨 상기 체결바를 가열하는 열선과; 상기 열선에 전원을 공급하여 이들을 작동시키기 위한 열선 전원부와 상기 열선을 제어하기 위해 상기 열선과 연결된 열선 제어부;를 포함하는 연료전지스택 체결구조에 관한 것이고,

특허문헌 2는 스택; 상기 스택에 연료를 공급하는 연료공급부; 및 상기 스택에 공기를 공급하는 공기공급부;를 포함하며, 상기 스택은, 단위전지들과 적어도 하나의 내부개질기;를 포함하며, 상기 단위전지들과 적어도 하나의 내부개질기가 서로 적층되면, 매니폴더들이 형성된 것이며,

특허문헌 3은 복수의 셀이 적층되는 셀 적층체와, 상기 적층체의 양단을 협지하도록 배치되는 한 쌍의 단판과, 상기 단판과 상기 셀 적층체와의 외측면을 함께 감싸도록 배치되는 체결 부재를 구비하고, 상기 단판의 체결 부재가 연재되는 방향의 강성이 단판의 체결 부재가 연재되는 방향과 수직인 방향의 강성보다 크게 구성한 연료 전지 스택에 관한 것이다.

이러한 종래의 연료전지 스택은 도 7에 도시한 바와 같이, 판체 형상의 단위전지(100)를 다층으로 적층하고, 단위전지들 사이에 내부개질기(200)를 적층하되 일정 간격을 두고 적층하였으며, 최상층과 최하층에는 단위전지판을 가압하는 엔드플레이트(300)를 설치하여 단위전지를 고정시킬 수 있도록 구성되어 있다.

즉, 엔드플레이트(300)를 관통하여 설치된 체결바(400) 단부의 너트를 조여 엔드플레이드 사이에 적층된 단위전지판 내부개질기 등이 서로 밀착된 상태를 유지하도록 고정시키고 있다.

그러나, 이렇게 체결된 종래 연료전지 스택은 고온에서 작동하는 것으로 온도가 높아질 경우 연료전지 스택의 팽창 및 셀 내부에서의 온도 분포의 차이에 따라 변형이 발생하고 이러한 변형에 의해 스택이 뒤틀리는 현상이 발생하게 되는 문제가 있다.

대한민국 특허등록 제0520573호 대한민국 특허등록 제1198629호 일본 특허공개 제2011-210604호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로서, 연료전지 스택을 구성하는 단위전지 판이 고온에 의해 열팽창하여 변형이 발생하여도 스택이 뒤틀리거나 기울어지지 않게 하고 스택의 밀착 상태를 균일하게 유지하기 위한 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 고정체의 안쪽에 스프링에 의해 탄성적으로 지지되는 지지판을 설치하여 지지판이 단위전지 판을 탄성적으로 지지되게 함으로써 단위전지 판이 열팽창하였을 때 스프링이 수축됨에 의해 스택이 뒤틀리거나 기울어지는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 스택들 사이가 밀착된 상태를 유지할 수 있게 한 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트는 다수개의 단위전지 판을 포함하는 적층체로 이루어진 스택의 단부에 설치되어 적층체를 결합하는 연료전지 스택용 앤드플레이트에 있어서, 일면이 개방된 통체 형상이고, 중앙에 버스바가 돌출 형성된 고정체; 상기 고정체의 개방된 면에 탈착 가능하게 설치되고, 중앙에 버스바가 관통하는 관통홀이 형성되며, 적층체의 일단을 지지하는 지지판; 상기 고정체의 내부에 설치되어 상기 지지판을 탄성적으로 지지하는 다수의 스프링으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 버스바는 도전체로 이루어져 집전체의 역할을 할 수 있게 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정체의 내벽에는 다수의 가이드날개가 형성되고, 상기 지지판의 가장자리에는 상기 가이드날개가 끼워진 상태에서 이동할 수 있는 가이드홈이 형성되어 지지판이 일정한 방향으로 이동되게 할 수 있다.

상기 고정체와 지지판의 스프링이 설치되는 부분에는 스프링고정돌기를 형성하여 스프링이 보다 견고하게 고정되게 할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트는 단위전지 판을 지지하는 지지판이 스프링에 의해 탄성적으로 지지되어 연료전지 판이 고온에 의해 열팽창하였을 때 팽창한 만큼 스프링이 수축됨으로써 스택 전체가 뒤틀리거나 기울어지는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 적층체를 관통한 버스바를 도전체로 제작하여 집전체의 역할을 하게 함으로써 전전체를 따라 설치하는 번거로움을 해소할 수 있는 효과도 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트를 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트를 도시한 분리사시도,
도 3은 본 발명에 따른 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트를 도시한 정단면도,
도 4 및 5는 본 발명에 따른 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트의 사용 상태 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트의 사용 상태 종단면도
도 7은 종래의 조립구조를 갖는 연료전지 스택의 사시도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 연료전지 스택을 구성하는 단위전지 등의 열에 의해 변형되어도 스택이 뒤틀리거나 기울어지는 것을 방지할 수 있도록 단위전지를 포함하는 적층체를 결합하기 위한 것으로서, 일면이 개방된 통체 형상이고, 중앙에 버스바(10b)가 돌출 형성된 고정체(10); 상기 고정체의 개방된 면에 탈착 가능하게 설치되고, 중앙에 버스바가 관통하는 관통홀(20h)이 형성되며, 적층체의 일단을 지지하는 지지판(20); 상기 고정체의 내부에 설치되어 상기 지지판을 탄성적으로 지지하는 다수의 스프링(30)으로 이루어진다.

상기 고정체(10)은 도 1, 도 2 및 도 6에 도시한 바와 같이 내부에 수용공간을 갖고 일측이 개방되어 상기 지지판(20)이 그 내부에 설치된 상태에서 출몰될 수 있게 구성되어 있다. 상기 고정체(10)와 지지판(20)은 연료전지 스택을 구성하는 단위전지의 평면과 동일 유사한 평면의 형상을 갖으며,

상기 고정체(10)의 중앙에는 적어도 하나의 버스바(10b)를 구비하고 있으며, 이 버스바(10b)는 상기 지지판(20)을 관통하여 그 단부가 노출되고, 단위 전지 상, 하단 끝에 각각의 엔드플레이트가 판체 형상의 단위전지를 가압할 수 있도록 체결수단에 의해 단위전지를 포함하는 적층체가 서로 밀착된 상태가 되는 것이다.

이러한 버스바(10b)는 각 단위전지에서 발생된 전기를 전달하는 집전체의 역할을 할수 있게 할 수 있다. 즉, 상기 버스바(10b)를 도전체로 구성하고, 각 단위전지와 전기적으로 접속을 이루게 하여 집전체의 역할을 하게 하는 것이다.

상기 고정체(10)은 실질적으로 단위전지 적층체와 접촉되어 적층체를 지지하는 역할을 하는 것으로 적층체와 동일한 크기를 가지거나 1mm 이내의 미세하게 큰 크기를 가지도록 하여 동일한 평면을 가지도록 하고, 상기 고정체(10)의 내부에 끼워진 상태에서 출몰되는 지지판(20)은 상기 고정체(10)와 동일하게 고정체와 대향되는 면이 개방된 통체 형상으로 제작할 수 있다.

상기 고정체(10)의 내벽에는 다수의 가이드날개(10w)를 형성하고, 상기 지지판(20)의 가장자리에는 상기 가이드날개가 끼워진 상태에서 이동할 수 있는 가이드홈(20g)이 형성하여 지지판이 일정한 방향으로 이동되게 하는 것이다.

상기 가이드날개(10w)는 도 1에 도시한 바와 같이, 고정체(10)의 상단 안쪽 벽으로부터 바닥을 향하며 점차 안쪽으로 기울어지는 경사를 갖게 형성하였다. 이와 같이 경사지게 가이드날개(10w)를 형성한 이유는 상기 지지판(20)에 형성된 가이드홈(20g)에 가이드날개(10w)가 쉽게 끼워질 수 있게 하기 위한 것이다.

상기한 바와 같이, 고정체(10)와 지지판(20) 사이에는 스프링(30)이 설치되어 지지판(20)이 탄성적으로 단위전지 적층체를 밀고 있게 된다. 이렇게 지지판(20)에 의해 밀리는 단위전지 적층체는 서로 긴밀하게 접촉을 이루고 있어야 스택 내의 유체가 누출되는 것을 방지하고, 셀 사이의 저항을 감소시킬 수 있으므로 상기 스프링(30)의 탄성은 단위전지 적층체들 사이에 틈이 생기지 않을 정도로 강하게 단위전지 적층체를 밀어줄 수 있어야 한다.

상기한 바와 같이 고정체(10)와 지지판(20) 사이에 설치된 스프링(30)은 안정적으로 두 판 사이에 설치되어야 안정적으로 지지판을 지지할 수 있으므로 스프링(30)이 고정체(10)와 지지판(20) 사이에 견고하게 고정될 수 있도록 상기 고정체(10)과 지지판(20)의 스프링이 설치되는 부분에는 스프링고정돌기(10d, 20d)가 형성되어 있다.

상기 스프링고정돌기(10d, 20d)는 다양한 형성으로 형성될 수 있으나 전체 무게를 줄이고, 자재비를 절감할 수 있도록 도 1에 도시한 바와 같이 중공의 원통형으로 형성하고 그 외주면에 상기 스프링(30)를 끼워 스프링의 안쪽 벽이 스프링고정돌기(10d, 20d)의 외주면에 밀착되게 하여 스프링이 고정된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트를 이용하여 만들어진 연료전지 스택의 일예를 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한다.

도 4는 단위전지 적층체의 양단에 모두 본 발명에 따른 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트를 설치한 것이고, 도 5는 일측 단부에는 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트를 사용하고 다른 단부에는 돝상의 엔드플레이트를 설치한 연료전지 스택의 일예를 도시한 사시도이며, 도 6은 도 5에 도시한 연료전지 스택의 종단면도이다.

도 4에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트는 연료전지 스택의 양단에 모두 설치할 수 있다.

또 다른 연료전지 스택은 도 5에 도시한 바와 같이 일측 단부에만 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트를 설치하는 것으로 반대쪽에는 단순한 판체 형상의 엔드플레이트를 설치할 수 있다.

이렇게 설치된 본 발명에 따른 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트는 도 6에 도시한 바와 같이 적층된 단위전지 중 어느 하나 또는 어느 한 부분이 열에 의해 팽창하면 해당 부분이 대향되는 부분에 설치된 스프링(30)이 수축되어 지지판(20)이 고정체(10)의 내부로 밀려들어가게 되며 이에 따라 스택의 전체 면이 균일하게 밀착된 상태를 유지할 수 있게 함과 동시에 스택 전체의 뒤틀림이나 기울어짐이 방지되는 것이다.(도 6의 원으로 표시된 부분 참조)

10: 고정체
10b: 버스바 10d, 20d: 스프링고정돌기
10w: 가이드날개
20: 지지판
20g: 가이드홈 20h: 관통홀
30: 스프링

Claims (8)

1. 다수개의 단위전지 판을 포함하는 적층체로 이루어진 스택의 단부에 설치되어 적층체를 결합하는 연료전지 스택용 앤드플레이트에 있어서,
   일면이 개방된 통체 형상이고, 중앙에 버스바(10b)가 돌출 형성되며, 적층체의 일단을 지지하는 고정체(10);
   상기 고정체의 개방된 면에 탈착 가능하게 설치되고, 중앙에 버스바가 관통하는 관통홀(20h)이 형성된 지지판(20);
   상기 고정체의 내부에 설치되어 상기 지지판을 탄성적으로 지지하는 다수의 스프링(30)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트.
2. 제1항에 있어서,
   상기 버스바(10b)는 도전체로 이루어져 집전체의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트.
3. 제1항에 있어서,
   상기 고정체(10)의 내벽에는 다수의 가이드날개(10w)가 형성되고, 상기 지지판(20)의 가장자리에는 상기 가이드날개가 끼워진 상태에서 이동할 수 있는 가이드홈(20g)이 형성되어 지지판이 일정한 방향으로 이동되게 한 것을 특징으로 하는 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트.
4. 제3항에 있어서,
   상기 가이드날개(10w)는 고정체의 상단안쪽 벽으로부터 바닥을 향하며 점차 안쪽으로 기울어지는 경사를 갖는 것을 특징으로 하는 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트.
5. 제1항에 있어서,
   상기 고정체(10)과 지지판(20)의 스프링이 설치되는 부분에는 스프링고정돌기(10d, 20d)가 형성된 것을 특징으로 하는 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트.
6. 제5항에 있어서,
   상기 스프링고정돌기(10d, 20d)는 중공의 원통형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트.
7. 제1항에 있어서,
   상기 지지판(20)은 상기 고정체(10)와 대향되는 저면이 개방된 통체 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트.
8. 제1항에 있어서,
   상기 앤드플레이트는 단위전지 판을 포함하는 적층체의 하단 또는 상단에 설치되는 것을 특징으로 하는 고온 연료전지 스택용 앤드플레이트.
   

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