KR20190061806A - Stress balancing module and fuel cell comprising thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 출원은, 응력 밸런싱 모듈 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.The present application relates to a stress balancing module and a fuel cell including the same.
일반적으로 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 연료로 수소를 사용하고, 산화제로 공기 중의 산소를 사용하여 전기화학적 반응에 의해 전기와 물을 발생시키는 발전 시스템으로서, 기존의 다른 발전시스템과는 달리 공해 및 소음이 거의 없고 발전 효율이 높아 차세대 신에너지로 각광을 받고 있다.Generally, a solid oxide fuel cell (SOFC) is a power generation system that uses hydrogen as fuel and generates electricity and water by electrochemical reaction using oxygen in the air as an oxidizer. , It has little or no pollution and noises and has high efficiency in generating electricity.
이러한 고체 산화물 연료 전지는 반복 소자(Repeating Component, RC)와 비반복 소자(Non-repeating component)로 나뉘며, 반복 소자(RC)는 반복 적층되는 단위 연료 전지이며, 비반복 소자는 상부 및 하부 덮개가 되는 엔드 플레이트(end plate)와 가스 유동을 담당하는 매니폴드 헤더(manifold header)와 같이 반복적으로 적층되지 않는 소자이다.Such a solid oxide fuel cell is divided into a repeating component (RC) and a non-repeating component. The repeating component (RC) is a unit fuel cell that is repeatedly laminated. The non- Such as a manifold header, which is responsible for the gas flow.
단위 연료 전지는 전기화학 반응이 일어나는 연료극(양극, Cathode), 공기극(음극, Anode), 연료 가스와 산화제 가스의 유로를 형성하는 분리판, 전하를 포집하는 집전판과 이온 전도를 하는 전해질 및 지지체 등으로 구성된다. 상술한 연료극으로 연료가스를 공급하고 상술한 공기극으로 산화제 가스를 공급하면 각각의 전극에서 전기화학반응이 발생하여 직류전원이 얻어진다.A unit fuel cell includes a fuel electrode (anode, cathode), an air electrode (anode, anode), a separator plate for forming a flow path of a fuel gas and an oxidizer gas, a current collecting plate for collecting charge, . When the fuel gas is supplied to the fuel electrode and the oxidant gas is supplied to the air electrode, an electrochemical reaction occurs at each electrode to obtain a DC power source.
단위 연료 전지의 전압은 정격출력에서 0.7 V ~ 0.9 V를 유지하므로 실제 발전에서는 이러한 단위 전지를 여러 층 적층하여 전압을 높이고, 전지의 면적을 증대시켜 출력을 높인다. 이렇게 단위 전지를 여러 단 적층한 것을 'SOFC 스택(stack)'이라 한다.Since the voltage of unit fuel cell maintains 0.7 V ~ 0.9 V at rated output, in actual power generation, this unit cell is stacked in several layers to increase the voltage and to increase the output by increasing the area of the cell. This stack of unit cells is called the 'SOFC stack'.
상술한 고체 산화물 연료 전지(특히 평판형 SOFC)에 대한 연구는 이미 60년대부터 시작되어 왔으며, 현재까지 50 여년 이상 연구되고 있다. 하지만, 오랜 연구에도 불구하고, SOFC를 상용화시킨 기업은 미국에 블룸 에너지(Bloom Energy)가 유일하며, 이마저도 주정부 보조금이 없이는 제품성이 떨어지는 문제가 있다.Research on solid oxide fuel cells (especially flat plate type SOFCs) has already been started in the 60s and has been studied for over 50 years. However, despite longstanding research, Bloom Energy is the only company that has commercialized SOFC in the US, and even without provincial subsidies there is a problem of poor product quality.
고체 산화물 연료 전지의 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 부분은 SOFC 스택의 신뢰성이 떨어진다는 점이다. SOFC 스택의 신뢰성이 떨어지는 이유는 제품의 성능이 반복 재현되지 않고 한두 장의 RC에서 고장을 일으켜 전체 스택의 성능을 떨어뜨리기 때문이다. 한두 장의 RC에서 문제가 생기면 그 상태로 감소된 성능을 유지하지 작동하지 않고 더욱 스택 고장이 가속화되는데, 그 이유는 RC 일정부분에서 국부적 발열이 일어나며 셀이 파손되면 이런 국부적 발열에 의한 비가역적 파손은 멈추지 않고 옆 셀로 전파되는 경향이 있기 때문이다.One of the biggest obstacles to the commercialization of solid oxide fuel cells is that the reliability of the SOFC stack is deteriorating. The reason why the reliability of the SOFC stack is poor is that the performance of the product is not repeatedly reproduced, and the performance of the whole stack is deteriorated by causing one or two RCs to fail. If a problem occurs in one or two RCs, the reduced performance will not be maintained and the stack failure will accelerate because localized heat builds up in the RC area, and when the cell is broken, irreversible damage due to this localized heat It tends to spread to the next cell without stopping.
다수의 RC로 구성되어 있는 스택에서 이런 고장난 RC들은 랜덤하게 일어나기도 하나, 가장 빈도수가 높은 셀은 엔드셀(end cell)(적층된 RC에서 가장 최상단 단위 연료 전지를 '엔드셀'이라고 부르기로 함)이다. SOFC 스택에서 이러한 반복적인 엔드셀 고장 문제는 매우 심각하며, 평판형 기반 스택을 제조하는 기관에 광범위하게 나타나고 있다.In a stack consisting of multiple RCs, these failed RCs can occur randomly, while the cells with the highest frequency are called end cells (called the top-end unit fuel cells in the stacked RCs as 'end cells' )to be. In SOFC stacks, this repetitive end-cell failure problem is very serious and is widespread in organizations that manufacture flatbed-based stacks.
아직까지 엔드셀 문제의 원인은 명확하게 밝혀진 바 없으며, 따라서 그 문제해결 방법이 명확하게 연구된 바도 없다. 의심되는 다양한 이유들 중 가장 유력한 두 원인은 각각 RC간 유동 불균일과 엔드셀의 응력 불균일이다.The cause of the end cell problem has not yet been clarified, and therefore, the problem solving method has not been studied clearly. Two of the most likely causes for suspected misuse are the irregularity between the RCs and the unstressed stresses in the end cells.
이들 중 유력한 원인은 엔드셀의 2차원 평면(2D plane)의 응력 불균일이라고 볼 수 있는데, 그 이유는 수많은 유동 해석 및 전산모사 결과에서 엔드 셀에만 적은 유량이 흐른다는 결과는 찾기가 매우 어렵기 때문이다. 따라서, 많은 연구자들은 이러한 SOFC 엔드셀 문제의 원인을 응력 불균일에서 찾으려 하는데, 이러한 응력 불균일이 SOFC 엔드셀 성능에 직결될 수 있는 이유가 있기 때문이다.One of the most likely causes is the stress unevenness of the 2D cell plane of the end cell because it is very difficult to find the result that a small amount of flow only flows through the end cell in many flow analysis and computational simulation results to be. Therefore, many researchers are trying to find the cause of this SOFC end cell problem from the stress unevenness, because there is a reason why such stress unevenness can be directly related to the SOFC end cell performance.
특히 엔드셀의 양극은 세라믹으로 구성되며, 일반적으로 상용화된 SOFC의 대표적인 양극 물질로는 LaSrMnO3, LaSrCoFeO3 등의 물질이 있다. 이들 세라믹은 작동온도에서 일정 수준 이상의 양극 반응(산소 환원 반응)에 대한 촉매활성을 가지고 있으며, 페로브스카이트(Perovskite) 구조를 가지는 MIEC(Mixed Ion Electronic Conductor)들이 대부분이다.In particular, the anode of the end cell is made of ceramic, and typical anode materials of commercially available SOFC include LaSrMnO 3 and LaSrCoFeO 3 . These ceramics have catalytic activity for anodic reaction (oxygen reduction reaction) at a certain level or more at the operating temperature, and most of them are MIECs (Mixed Ion Electronic Conductors) having a perovskite structure.
MIEC 세라믹 소재는 높은 전자 전도도를 가지나, 금속에 비교하면 10배에서 20배 정도 전자 전도도가 떨어지는 것이 일반적이다. 그럼에도 불구하고 SOFC 양극 소재로 이 같은 세라믹 MIEC들이 사용되는 이유는, 양극은 산화분위기인데 온도가 매우 높기 때문에 일반적인 금속 소재들은 산화되어버리는 이유로 사용이 어렵기 때문이다. 귀금속을 사용하면 SOFC 작동 온도에서도 산화되지 않고 양극을 구성할 수 있는데, 이 경우 스택의 원가가 매우 높아지는 문제점이 생긴다.MIEC ceramics have high electronic conductivity, but they generally have 10 to 20 times lower electrical conductivity than metals. Nevertheless, the reason why such ceramic MIECs are used as SOFC anode materials is that the anodes are oxidizing atmospheres, which are very difficult to use because common metal materials are oxidized. The use of noble metals can constitute the anode without being oxidized at the operating temperature of the SOFC. In this case, the cost of the stack becomes very high.
상대적으로 금속에 준하는 전도도를 가지는 음극은 금속소재의 음극 분리판과의 접촉에서 약간의 응력에 의한 접촉면적 손실이 일어난다 해도 큰 문제가 되지 않는다. 하지만, 양극은 다른 것이 세라믹 양극 소재 자체의 전도도가 워낙 떨어지고 분리판과 모든 2차원 평면(2D plane)에서 균일하고 고른 압력으로 접촉을 유지하고 있지 않으면 접촉면 손실에 의한 저항이 크게 늘어난다. 접촉면 손실은 음극과는 달리 높은 전도도로 만회되지 않기 때문에 급격한 저항증가 및 전압 감소, 전압 감소에 의한 발열 및 국부적 응력 집중 등으로 이어지고 급기야는 셀의 비가역적 파손을 불러 일으킨다.A negative electrode having a conductivity comparable to that of a metal is not a serious problem even if a contact area loss due to a slight stress occurs in contact with a negative electrode separator of a metal material. However, if the conductivity of the ceramic anode material itself is so low that the other is an anode and the contact is not maintained at uniform and even pressure in all two-dimensional planes (2D planes) with the separator plate, the resistance due to the contact surface loss is greatly increased. Unlike the negative electrode, the contact loss is not recovered by the high conductivity. This leads to rapid resistance increase and voltage decrease, heat generation due to voltage reduction, and concentration of local stress, and the unexpected breakdown of the cell occurs.
양극 접촉 손실이 유동 엔드셀에서 자주 일어나는 이유는 다른 RC의 반복구조와 다르기 때문이다. 다른 RC는 상대적으로 기계적으로 부드러운 다른 RC와 접촉을 이루는데 반해 엔드셀은 일반적으로 RC보다 5배에서 10배 이상 두꺼운 엔드 플레이트(End plate)와 접촉을 이루기 때문이다.The reason why the anode contact loss occurs frequently in the flow end cell is that it differs from other RC repeat structures. This is because other RCs make contact with other relatively mechanically soft RCs, while end cells typically come in contact with end plates that are 5 to 10 times thicker than RCs.
이러한 엔드셀 문제를 해결하기 위한 방법으로는 3가지 정도가 있다.There are three ways to solve this end cell problem.
첫째는 최상단의 RC를 실제 셀이 아닌 더미 셀(Dummy cell)로 구성하는 방법이 있다. 이러한 더미 셀은 전기는 통하지만 반응을 일으키지는 않는 금속 플레이트가 사용될 수 있는데, 실제 연료와 공기가 흐르기 때문에 반응을 일으켜 전기를 생산하지 않으면, 연료 이용율이 떨이지면서 스택 자체의 전기발전효율을 떨어뜨린다는 문제가 있다. 전기발전효율의 약간의 감소를 통해 엔드셀에 의한 비가역적 셀 파손 및 스택 전체의 고장을 막을 수 있다면 사용할 수 있는 방안이나, 다수의 더미 구조 실험을 통해서도 엔드셀 문제를 해결하지는 못하고 있는 실정이다. 그 이유는 더미 구조에서도 응력 불균일이 동일하게 존재하며, 엔드 플레이트와 더미셀간, 더미셀과 엔드셀 간 집전손실이 일어나는 부위가 여전히 존재하며 그 집전손실 부위는 다시 접촉을 일으키지 못하고 벌어져 있기 때문인 것으로 추정된다.First, there is a method of constructing the uppermost RC as a dummy cell instead of an actual cell. Such a dummy cell can use a metal plate that does not cause a reaction but has electricity but does not produce a reaction. If a reaction occurs due to the flow of actual fuel and air to produce electricity, the fuel utilization rate decreases and the electricity generation efficiency of the stack itself is lowered There is a problem. The end cell problem can not be solved even if the irreversible cell damage caused by the end cell and the failure of the entire stack can be prevented through a slight reduction of the electric power generation efficiency or through a plurality of dummy structure experiments. The reason for this is that even in the dummy structure, the stress unevenness exists in the same manner, and there is still a portion where the current loss between the end plate and the micelle, between the micelles and the end cell occurs, and the current loss is not caused again .
둘째로는 최상단 엔드셀만을 값비싼 RC로 만드는 방안이 있다. 이 방법은 고분자연료전지(PEMFC)의 엔드셀 문제를 해결하는 방법과 유사한데, PEMFC 스택의 엔드셀 문제는 주로 온도가 떨어져서 수분의 유동(fluiding)이 일어나기 때문에 엔드셀에만 고가의 PEMFC를 사용하기도 한다. 이 방안의 SOFC 스택 적용 예로는, 고온의 산화분위기인 양극에서도 높은 전자전도도를 보이는 백금 등의 귀금속을 활용하는 방법인데, 셀의 양극 최외각 부에 백금을 인쇄하는 방법, 엔드셀 양극 집전체를 백금 메시(mesh)를 사용하는 방법 등이 있을 수 있다. 그러나 이러한 방법들도 본 기관에서 다수의 실험을 통해 엔드셀 문제의 해결법이 될 수 없음을 확인했는데, 그이유는 SOFC 스택에서 엔드셀 문제는 RC-NRC간 접촉 구조에 의한 근본적인 응력 불균형을 해소하지 않았으며, 백금의 도입이 양극 전체의 집전손실을 만회할 수 있을 만큼 충분하려면 상당히 후막으로 도입되어야 하는데 이는 비용손실이 너무 크기 때문이다.Secondly, there is a way to make only the uppermost end cell an expensive RC. This method is similar to the method of solving the end cell problem of a polymer fuel cell (PEMFC). The end cell problem of the PEMFC stack is mainly due to the fluidity of the water due to the temperature drop. do. An example of application of the SOFC stack in this scheme is to use noble metals such as platinum, which exhibit high electron conductivity even in a high temperature oxidizing atmosphere, such as a method of printing platinum on the outermost part of the anode of the cell, A method of using a platinum mesh, and the like. However, we have also confirmed that these methods can not be a solution to the end-cell problem through a number of experiments, because the end-cell problem in the SOFC stack does not eliminate the underlying stress imbalance caused by the RC-NRC contact structure And the introduction of platinum should be introduced into the thick film considerably enough to compensate for the current collecting loss of the anode, because the cost loss is too great.
셋째로는, 엔드 플레이트와 엔드셀 사이에 두꺼운 물질을 넣는 것인데, 매우 두껍게 절삭된 Al2O3 등의 세라믹 블록 등이 그 예일 수 있다. 이 방안은 엔드 플레이트와 엔드셀 간 응력 불균일의 근본적 해소의 불가함을 인정하고 더욱 강성 소재를 투입하여 면압을 강화하는 방안인데, 이 역시도 엔드셀의 성능감소를 일부 개선시킬 수는 있으나. 근본적인 응력 불균일 해소가 없어 근본적인 대안이 되지 못한다.Thirdly, a thick material is put between the end plate and the end cell, for example, a very thick ceramic block such as Al 2 O 3 or the like. This method recognizes that the stress unevenness between the end plate and the end cell can not be fundamentally solved, and further reinforces the surface pressure by injecting a more rigid material, which may also improve the performance of the end cell to some extent. There is no inherent stress unevenness resolution and it is not a fundamental alternative.
본 출원은, 엔드셀의 만성적인 양극부 접촉손실을 줄이고, 이를 통해 엔드셀의 성능 저하 및 국부 발열, 그로 인한 비가역적 셀 파손 등을 막을 수 있으며, 이를 통해 스택 전체의 성능 안정화 및 스택간 성능 반복재현성을 향상시킬 수 있는 응력 밸런싱 모듈 및 이를 포함하는 연료 전지를 제공한다.The present application reduces the chronic anode contact loss of the end cell, thereby preventing performance degradation of the end cell and localized heat and irreversible cell damage caused thereby, thereby achieving performance stabilization of the entire stack and inter-stack performance A stress balancing module capable of improving repetitive reproducibility and a fuel cell including the same.
본 발명의 제1 실시 형태에 의하면, 연료 전지 적층체와 상기 연료 전지 적층체를 가압하는 상부 엔드 플레이트 사이에 구비되는 응력 밸런싱 모듈에 있어서, 상기 응력 밸런싱 모듈은, 일면에 상기 연료 전지 적층체의 최상단 단위 연료 전지와 접하는 연성 재질의 금속 플레이트를 구비한 중공(中孔)의 금속 컨테이너로, 상기 금속 컨테이너 내부에는 액상 금속이 채워진 응력 밸런싱 모듈.을 제공한다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a stress balancing module provided between a fuel cell stack and an upper end plate for pressing the fuel cell stack, wherein the stress balancing module comprises: The present invention provides a stress balancing module in which a metal container is filled with a liquid metal in a hollow metal container having a metal plate of a soft material in contact with the uppermost unit fuel cell.
본 발명의 제2 실시 형태에 의하면, 하부 엔드 플레이트; 일단이 상기 하부 엔드 플레이트상에 안착되며, 적어도 2 이상의 단위 연료 전지가 적층된 연료 전지 적층체; 상기 연료 전지 적층체의 타단에 구비되어 상기 연료 전지 적층체를 가압하는 상부 엔드 플레이트; 및 상기 상부 엔드 플레이트와 상기 연료 전지 적층체 사이에 구비되며, 상기 연료 전지 적층체의 최상단 단위 연료 전지의 응력 분포에 따라 상기 연료 전지 적층체의 최상단 단위 연료 전지를 균일한 압력으로 가압하도록 구성된 응력 밸런싱 모듈을 포함하는 연료 전지를 제공한다.According to the second embodiment of the present invention, the lower end plate; A fuel cell stack in which at least two unit fuel cells are stacked, one end of which is seated on the lower end plate; An upper end plate provided at the other end of the fuel cell stack to press the fuel cell stack; And a fuel cell stack disposed between the upper end plate and the fuel cell stack, wherein the stress configured to press the uppermost unit cell of the fuel cell stack at a uniform pressure according to a stress distribution of the uppermost unit fuel cell of the fuel cell stack A fuel cell including a balancing module is provided.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 연료 전지 적층체의 최상단 단위 연료 전지의 응력 분포에 따라 연료 전지 적층체의 최상단 단위 연료 전지를 균일한 압력으로 가압하도록 구성된 응력 밸런싱 모듈을 상부 엔드 플레이트와 연료 전지 적층체 사이에 둠으로써, 엔드셀의 만성적인 양극부 접촉손실을 줄이고, 이를 통해 엔드셀의 성능 저하 및 국부 발열, 그로 인한 비가역적 셀 파손 등을 막을 수 있으며, 이를 통해 스택 전체의 성능 안정화 및 스택간 성능 반복재현성을 향상시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a stress balancing module configured to pressurize a top-end unit fuel cell of a fuel cell stack at a uniform pressure according to a stress distribution of a top-end unit fuel cell of the fuel cell stack, By placing it between the stacked bodies, it is possible to reduce the contact loss of the anode of the end cell, thereby preventing performance degradation of the end cell and local heat generation, thereby preventing irreversible cell damage. It is possible to improve the performance repeatability between stacks.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연료 전지의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 응력 밸런싱 모듈을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 응력 밸런싱 모듈을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 구리-주석의 상평형도이다.1 is a configuration diagram of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 illustrates a stress balancing module according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 illustrates a stress balancing module according to another embodiment of the present invention.
4 is a phase diagram of copper-tin of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 더욱 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The shape and size of the elements in the drawings may be exaggerated for clarity of description, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연료 전지의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연료 전지(100)는 하부 엔드 플레이트(110), 연료 전지 적층체(120), 상부 엔드 플레이트(130), 응력 밸런싱 모듈(140)과 이들의 체결을 위한 체결 부재(111a, 111b)를 포함할 수 있다.1, a
구체적으로, 하부 엔드 플레이트(110) 상에는 적어도 2 이상의 단위 연료 전지가 D 방향으로 적층된 연료 전지 적층체(120)가 안착되며, 상부 엔드 플레이트(130)는 연료 전지 적층체(120)의 타단에 구비되어 연료 전지 적층체(120)를 가압할 수 있다.Specifically, the
연료 전지 적층체(120)의 가압을 위해 4축의 체결 부재(111a, 111b)가 구비될 수 있다. 4축의 체결 부재(111a, 111b) 중 4개의 볼트(111a)는 하부 엔드 플레이트(110)의 4개의 모서리에 부착되며, 이에 대응되는 상부 엔드 플레이트(130)의 4개의 모서리에는 4개의 볼트(111a)가 관통하는 4개의 관통홈(112)이 형성될 수 있다. 4개의 관통홈(112)을 관통한 4개의 볼트(111a)는 4개의 너트(111b)와 체결될 수 있다.Four-
상술한 도 1에서는 4축 체결을 도시하고 있으나, 이는 발명의 이해를 돕기 위한 것에 불과할 뿐, 2축, 3축 체결도 가능함은 물론이다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같은, 볼트-너트를 이용한 체결 방식 외에도 공압이나 유압을 이용하여 상부 엔드 플레이트(130)를 적층 방향으로 가압할 수도 있을 것이다.In FIG. 1, the four-shaft fastening is shown. However, the present invention is not limited to the two-shaft or three-shaft fastening. 1, the
한편, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 응력 밸런싱 모듈(140)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 상부 엔드 플레이트(130)와 연료 전지 적층체(120) 사이에 구비되며, 연료 전지 적층체(120)의 최상단 단위 연료 전지의 응력 분포에 따라 연료 전지 적층체(120)의 최상단 단위 연료 전지를 균일한 압력으로 가압하도록 구성된다. 1, a
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 상술한 응력 밸런싱 모듈을 도시하고 있다.Figure 2 shows the above-described stress balancing module according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 응력 밸런싱 모듈(140)은 일면에 연료 전지 적층체(120)의 최상단 단위 연료 전지와 접하는 연성 재질의 금속 플레이트(141)를 구비한 중공(中孔)의 금속 컨테이너이며, 금속 컨테이너 내부에는 액상 금속이 채워진 것일 수 있다.As shown in FIG. 2, the
한편, 연성 재질의 금속 플레이트(141)와 접촉하는 연료 전지 적층체(120)의 최상단 단위 연료 전지는 양극일 수 있다.On the other hand, the uppermost unit fuel cell of the
상술한 액상 금속은 연료 전지 적층체(120)의 작동 온도(예를 들면, 650도 내지 750도)에서 액상으로 존재하는 금속을 포함할 수 있다. 이러한 액상 금속은 주석(Sn), 납(Pb), 수은(Hg) 등의 금속 일 수 있으나, 금속 플레이트(141)의 재질을 고려하여 결정해야 한다.The above-described liquid metal may include a metal present in a liquid state at an operating temperature (for example, 650 to 750 degrees) of the
그 이유는 연성 재질의 금속 플레이트(141)는 내부의 액체 금속과 반응하거나 작동 온도에서 공정(Eutectic) 상평형도를 구성하여 녹아버린다. 따라서, 연성 재질의 금속 플레이트(141)의 재질의 선택이 부적절할 경우 내부 액체 금속이 유출되어 면압을 손실해버릴 수 있으며 그 상태에서는 응력 불균일 해소가 어렵기 때문이다.The reason is that the
일 실시예로 금속은 주석(Sn)을 포함할 수 있으며, 상술한 연성 재질의 금속 플레이트(141)는 구리를 포함할 수 있다. 즉 100 퍼센트 주석은 상술한 작동 온도에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 액상으로 존재하며, 금속 플레이트(141)의 재질인 구리와 공정(Eutectic) 반응을 일으키지 않는다.In one embodiment, the metal may include tin (Sn), and the
또한, 금속 컨테이너(140) 중 상술한 금속 플레이트(141)를 제외한 부분은, 스테인레스강(Stainless Steel, STS)을 포함하는 고강도 금속으로 만들어질 수 있다. 이는 금속 컨테이너(140) 등의 형상 유지를 위함이다.The portion of the
기존의 판 형상의 가압 수단을 사용하여 일정한 압력으로 가압하는 경우에 비해, 본 발명의 일 실시 형태에 의한 응력 밸런싱 모듈(140)은 연료 전지 적층체(120)의 최상단 단위 연료 전지와 접하는 면을 연성 재질의 금속 플레이트(141)로 구성하고, 중공(中孔)의 금속 컨테이너 내부는 액상 금속을 채움으로써, 내부의 액상 금속의 압력에 의해 연성 재질의 금속 플레이트(141)가 변형되었더라도 연료 전지 적층체(140)의 응력이 약해지면 다시 부풀어 올라 연료 전지 적층체(140)의 최상단의 단위 연료 전지의 벌어짐을 없애고 집전 손실을 회복할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 의한 응력 밸런싱 모듈(140)은 연료 전지 적층체(140)의 최상단 단위 연료 전지의 응력 변화에 유연하게 변화하여 연료 전지 적층체(140)의 최상단의 단위 연료 전지에 균일한 압력을 인가함으로써, 연료 전지 적층체(140)의 최상단의 단위 연료 전지의 벌어짐을 없애고 집전 손실을 회복할 수 있다.The
응력 밸런싱 모듈(140)의 형상은, 도 2에 도시된 바와 같은 것일 수 있다.The shape of the
구체적으로, 연성 재질의 하부 금속 플레이트(141)와 하부 금속 플레이트(141)로부터 연장된 하부 측면 부재(141a)를 포함하는 하부 모듈(141, 141a)과, 상부 플레이트(142)와 상부 플레이트(142)로부터 연장된 상부 측면 부재(142a)를 포함하는 상부 모듈(142, 142a)을 구비한 중공(中孔)의 금속 컨테이너(container)로, 금속 컨테이너의 내부에는 상술한 액상 금속이 채워질 수 있다.Specifically, a
즉, 상술한 도 2에 도시된 바와 같이, 상부 모듈(142, 142a) 및 하부 모듈(141, 141a)은 접합부분에 위치한 테두리(143)를 중심으로 대칭 형상을 가질 수 있다.That is, as shown in FIG. 2, the
또한, 도 2에서는 하부 측면 부재(141a)와 상부 측면 부재(142a)가 각각 하부 금속 플레이트(141) 및 상부 플레이트(142)로부터 일정 각도를 가진 채 연장되는 것으로 도시되어 있으나, 당업자의 필요에 따라서는 하부 측면 부재(141a)와 상부 측면 부재(142a)는 적층 방향(도 1의 D1 참조)으로 수직하게 형성될 수도 있음은 물론이다.Although the
한편, 도 3은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 응력 밸런싱 모듈(140)을 도시한 것이다.Meanwhile, FIG. 3 illustrates a
도 3에 도시된 응력 밸런싱 모듈(140)은 연성 재질의 하부 금속 플레이트(141)와 하부 금속 플레이트(141)로부터 연장된 하부 측면 부재(141a)를 포함하는 하부 모듈(141, 141a) 및 상부 플레이트(142)를 포함한 중공(中孔)의 금속 컨테이너일 수 있으며, 금속 컨테이너의 내부에는 상술한 액상 금속이 채워질 수 있다.The
즉, 도 3에 도시된 응력 밸런싱 모듈(140)은, 도 2에서 도시된 응력 밸런싱 모듈(140)의 하부 모듈(141, 141a)을 단순히 판 형상으로 구성한 것이다.That is, the
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 연료 전지 적층체의 최상단 단위 연료 전지의 응력 분포에 따라 연료 전지 적층체의 최상단 단위 연료 전지를 균일한 압력으로 가압하도록 구성된 응력 밸런싱 모듈을 상부 엔드 플레이트와 연료 전지 적층체 사이에 둠으로써, 엔드셀의 만성적인 양극부 접촉손실을 줄이고, 이를 통해 엔드셀의 성능 저하 및 국부 발열, 그로 인한 비가역적 셀 파손 등을 막을 수 있으며, 이를 통해 스택 전체의 성능 안정화 및 스택간 성능 반복재현성을 향상시킬 수 있다.As described above, according to one embodiment of the present invention, the stress balancing module configured to pressurize the uppermost unit fuel cell of the fuel cell stack at a uniform pressure according to the stress distribution of the uppermost unit fuel cell of the fuel cell stack, By placing the end plate between the end plate and the fuel cell stack, it is possible to reduce the chronic anode contact loss of the end cell, thereby preventing performance degradation and local heat generation of the end cell and thereby irreversible cell damage, It is possible to improve the overall performance stabilization and the repeatability of the performance between the stacks.
본 출원은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 출원의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.The present application is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It will be self-evident.
100: 연료 전지
110: 하부 엔드 플레이트
111a: 볼트
111b: 너트
112: 관통홀
120: 연료 전지 적층체
130: 상부 엔드 플레이트
140: 응력 밸런싱 모듈
141: 하부 금속 플레이트
141a: 하부 측면 부재
142: 상부 플레이트
142a: 상부 측면 부재
143: 테두리100: Fuel cell
110: Lower end plate
111a: Bolt
111b: nut
112: Through hole
120: fuel cell laminate
130: upper end plate
140: Stress balancing module
141: Lower metal plate
141a: Lower side member
142: upper plate
142a: upper side member
143: Rim
Claims (17)
상기 응력 밸런싱 모듈은,
일면에 상기 연료 전지 적층체의 최상단 단위 연료 전지와 접하는 연성 재질의 금속 플레이트를 구비한 중공(中孔)의 금속 컨테이너로,
상기 금속 컨테이너 내부에는 액상 금속이 채워진 응력 밸런싱 모듈.
A stress balancing module provided between a fuel cell stack and an upper end plate for pressing the fuel cell stack,
The stress balancing module comprises:
A hollow metal container having a metal plate of a soft material in contact with the uppermost unit fuel cell of the fuel cell stack on one surface thereof,
Wherein the metal container is filled with a liquid metal.
상기 액상 금속은,
상기 연료 전지 적층체의 작동 온도에서 액상으로 존재하는 금속을 포함하는 응력 밸런싱 모듈.
The method according to claim 1,
The liquid metal,
And a metal present in a liquid phase at an operating temperature of the fuel cell stack.
상기 금속 플레이트는, 구리를 포함하며,
상기 액상 금속은, 주석을 포함하는 응력 밸런싱 모듈.
The method according to claim 1,
Wherein the metal plate comprises copper,
Wherein the liquid metal comprises tin.
상기 연료 전지 적층체의 작동 온도는,
650도 내지 750도인 응력 밸런싱 모듈.
3. The method of claim 2,
The operating temperature of the fuel cell stack
Stress balancing module between 650 and 750 degrees.
상기 금속 컨테이너 중 상기 금속 플레이트를 제외한 부분은,
스테인레스강(Stainless Steel, STS)을 포함하는 고강도 금속으로 만들어지는 응력 밸런싱 모듈.
The method according to claim 1,
Wherein a portion of the metal container, excluding the metal plate,
Stress balancing module made of high strength metal including stainless steel (STS).
상기 응력 밸런싱 모듈은,
연성 재질의 하부 금속 플레이트와 상기 하부 금속 플레이트로부터 연장된 하부 측면 부재를 포함하는 하부 모듈; 및
상부 플레이트와 상기 상부 플레이트로부터 연장된 상부 측면 부재를 포함하는 상부 모듈;을 포함한 중공(中孔)의 금속 컨테이너로,
상기 금속 컨테이너의 내부에는 액상 금속이 채워진 응력 밸런싱 모듈.
The method according to claim 1,
The stress balancing module comprises:
A lower module comprising a lower metal plate of flexible material and a lower side member extending from the lower metal plate; And
An upper module including an upper plate and an upper side member extending from the upper plate,
Wherein the metal container is filled with a liquid metal.
상기 상부 모듈 및 상기 하부 모듈은,
상기 상부 모듈 및 상기 하부 모듈의 접합부에 위치한 테두리를 중심으로 대칭 형상을 가지는 응력 밸런싱 모듈.
The method according to claim 6,
Wherein the upper module and the lower module comprise:
Wherein the stress balancing module has a symmetrical shape about a rim located at a junction of the upper module and the lower module.
상기 응력 밸런싱 모듈은,
연성 재질의 하부 금속 플레이트와 상기 하부 금속 플레이트로부터 연장된 하부 측면 부재를 포함하는 하부 모듈; 및
상부 플레이트;를 포함한 중공(中孔)의 금속 컨테이너로,
상기 금속 컨테이너의 내부에는 액상 금속이 채워진 응력 밸런싱 모듈.
The method according to claim 1,
The stress balancing module comprises:
A lower module comprising a lower metal plate of flexible material and a lower side member extending from the lower metal plate; And
A hollow metal container including an upper plate,
Wherein the metal container is filled with a liquid metal.
일단이 상기 하부 엔드 플레이트상에 안착되며, 적어도 2 이상의 단위 연료 전지가 적층된 연료 전지 적층체;
상기 연료 전지 적층체의 타단에 구비되어 상기 연료 전지 적층체를 가압하는 상부 엔드 플레이트; 및
상기 상부 엔드 플레이트와 상기 연료 전지 적층체 사이에 구비되며, 상기 연료 전지 적층체의 최상단 단위 연료 전지의 응력 분포에 따라 상기 연료 전지 적층체의 최상단 단위 연료 전지를 균일한 압력으로 가압하도록 구성된 응력 밸런싱 모듈을 포함하는 연료 전지.
A lower end plate;
A fuel cell stack in which at least two unit fuel cells are stacked, one end of which is seated on the lower end plate;
An upper end plate provided at the other end of the fuel cell stack to press the fuel cell stack; And
A plurality of fuel cell stacks disposed in the upper end plate and the fuel cell stack, and configured to pressurize the uppermost unit fuel cells of the fuel cell stack with a uniform pressure according to a stress distribution of the uppermost unit fuel cell of the fuel cell stack, A fuel cell comprising a module.
상기 응력 밸런싱 모듈은,
일면에 상기 연료 전지 적층체의 최상단 단위 연료 전지와 접하는 연성 재질의 금속 플레이트를 구비한 중공(中孔)의 금속 컨테이너로,
상기 금속 컨테이너 내부에는 액상 금속이 채워진 연료 전지.
10. The method of claim 9,
The stress balancing module comprises:
A hollow metal container having a metal plate of a soft material in contact with the uppermost unit fuel cell of the fuel cell stack on one surface thereof,
Wherein the metal container is filled with a liquid metal.
상기 액상 금속은,
상기 연료 전지 적층체의 작동 온도에서 액상으로 존재하는 금속을 포함하는 연료 전지.
11. The method of claim 10,
The liquid metal,
And a metal present in a liquid state at an operating temperature of the fuel cell stack.
상기 금속 플레이트는, 구리를 포함하며,
상기 액상 금속은, 주석을 포함하는 연료 전지.
11. The method of claim 10,
Wherein the metal plate comprises copper,
Wherein the liquid metal comprises tin.
상기 연료 전지 적층체의 작동 온도는,
650도 내지 750도인 연료 전지.
12. The method of claim 11,
The operating temperature of the fuel cell stack
A fuel cell having a temperature between 650 and 750 degrees.
상기 금속 컨테이너 중 상기 금속 플레이트를 제외한 부분은,
스테인레스강(Stainless Steel, STS)을 포함하는 고강도 금속으로 만들어지는 연료 전지.
11. The method of claim 10,
Wherein a portion of the metal container, excluding the metal plate,
A fuel cell made of a high strength metal including stainless steel (STS).
상기 응력 밸런싱 모듈은,
연성 재질의 하부 금속 플레이트와 상기 하부 금속 플레이트로부터 연장된 하부 측면 부재를 포함하는 하부 모듈; 및
상부 플레이트와 상기 상부 플레이트로부터 연장된 상부 측면 부재를 포함하는 상부 모듈;을 포함한 중공(中孔)의 금속 컨테이너로,
상기 금속 컨테이너의 내부에는 액상 금속이 채워진 연료 전지.
10. The method of claim 9,
The stress balancing module comprises:
A lower module comprising a lower metal plate of flexible material and a lower side member extending from the lower metal plate; And
An upper module including an upper plate and an upper side member extending from the upper plate,
Wherein the metal container is filled with a liquid metal.
상기 상부 모듈 및 상기 하부 모듈은,
상기 상부 모듈 및 상기 하부 모듈의 접합부에 위치한 테두리를 중심으로 대칭 형상을 가지는 연료 전지.
16. The method of claim 15,
Wherein the upper module and the lower module comprise:
Wherein the fuel cell has a symmetrical shape centered on a rim located at a junction of the upper module and the lower module.
상기 응력 밸런싱 모듈은,
연성 재질의 하부 금속 플레이트와 상기 하부 금속 플레이트로부터 연장된 하부 측면 부재를 포함하는 하부 모듈; 및
상부 플레이트;를 포함한 중공(中孔)의 금속 컨테이너로,
상기 금속 컨테이너의 내부에는 액상 금속이 채워진 연료 전지.10. The method of claim 9,
The stress balancing module comprises:
A lower module comprising a lower metal plate of flexible material and a lower side member extending from the lower metal plate; And
A hollow metal container including an upper plate,
Wherein the metal container is filled with a liquid metal.
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