WO2017003067A1 - 연료전지용 프레임 및 이를 포함하는 연료전지 스택 구조물 - Google Patents

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WO2017003067A1
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최종우
최성호
박진아
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주식회사 미코
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell frame and a fuel cell stack structure including the same, and more particularly, to a fuel cell frame and a fuel cell stack structure including the same that can improve the durability of the fuel cell stack structure.
  • a fuel cell forms a cathode layer and an anode layer on each of both surfaces of an electrolyte layer, and when a fuel gas containing air and hydrogen containing oxygen is flowed into each of the cathode layer and the anode layer, ions are formed in the electrolyte layer.
  • It is a power generation device that generates electricity by conducting electrochemical reaction between hydrogen and oxygen through conduction phenomenon.
  • Such fuel cells have been actively researched recently because of their eco-friendly characteristics, such as a high-efficiency, pollution-free generator that generates energy by oxidizing hydrogen in a simple energy conversion step.
  • the solid oxide fuel cell (SOFC) of the fuel cell is a fuel cell operated at a high temperature of about 600 to 1000 °C using a ceramic as an electrolyte, other molten carbonate fuel cell (MCFC), phosphate fuel cell (PAFC)
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • PAFC phosphate fuel cell
  • the fuel cells of various types, such as polymer fuel cells (PEFC) they have the advantages of being the most efficient and the least pollutant and capable of combined power generation without the need for a fuel reformer.
  • Such a fuel cell is generally used to form a stack by stacking single cells composed of an electrolyte layer, a cathode layer, and a cathode layer to achieve high output.
  • the fuel cell stack stacks a plurality of fuel cell units by using a member such as a frame or an interconnector.
  • the fuel cell stack is used for the stable electrical connection of the cells or the sealing of fuel or air. High pressure is applied to the stack.
  • the components constituting the fuel cell stack such as fuel cell unit cells, frames, interconnects, etc., are likely to be deformed by such high voltages, and the deformation thereof is not only the stability of the fuel cell stack, but also the power efficiency. Etc., and reduce the life of the fuel cell stack.
  • One object of the present invention is to provide a fuel cell frame capable of improving the durability and stability of the fuel cell stack structure.
  • Another object of the present invention is to provide a fuel cell stack structure including the frame for the fuel cell is improved durability and stability.
  • a fuel cell frame includes a frame body having a supply opening and a discharge opening spaced from each other with a channel opening and the channel opening therebetween; And an elliptical cross-sectional shape formed to protrude from a first region between the channel opening and the supply opening and a second region between the channel opening and the discharge opening in an upper surface of the frame body. It includes a plurality of anti-deformation support having a.
  • the major axis of the anti-deformation support is parallel to the first direction from the supply opening toward the discharge opening, the anti-deformation support formed in the first region and the anti-deformation support formed in the second region Each may be arranged in a line along a second direction perpendicular to the first direction.
  • the protruding height of the anti-deformation supports may be 80% or more and 120% or less of a height difference between the upper reference plane area and the fluid movement bottom area.
  • the lower surface of the frame body has a lower reference surface area and a cell support area formed along an edge of the opening for the channel and recessed into the frame body relative to the lower reference surface area, the deformation prevention The supports may be formed to extend from an upper portion of the lower reference plane region to an upper portion of the cell support region.
  • the protrusions may further include guide protrusions formed to protrude from the fluid movement bottom region and regularly arranged in a lattice form.
  • At least a portion of the anti-deformation supports formed in the third region adjacent to the fifth region has a long axis inclined in the direction of the fifth region relative to the long-axis direction of the remaining anti-deformation supports, At least a portion of the anti-deformation supports formed in the fourth region adjacent to the fifth region may have a long axis inclined in the fifth region direction compared to the long-axis direction of the other anti-deformation supports.
  • a fuel cell stack includes a fuel cell including an electrolyte layer, an upper electrode layer and a lower electrode layer formed on upper and lower surfaces of the electrolyte layer, respectively; A frame disposed on the fuel cell; And an interconnector disposed above the frame.
  • the frame main body having a supply opening and a discharge opening spaced apart from each other with a channel opening exposing the upper electrode layer and the channel opening therebetween; And protrude in the direction of the interconnector from a first region between the channel opening and the supply opening of the upper surface of the frame and a second region between the channel opening and the discharge opening, the shaft having a long axis and a short axis;
  • a plurality of anti-deformation supports having an elliptical cross-sectional shape.
  • the fuel cell stack structure may further comprise a composite functional structure disposed between the frame body and the interconnector portion corresponding thereto.
  • the composite function structure is an upper reference surface region and the top of the upper surface of the frame body having a fluid movement bottom area recessed into the frame body relative to the reference surface area and including the first region and the second region And may be disposed between the fluid movement bottom region and the corresponding interconnect portion.
  • the frame may further include a plurality of guide protrusions protruding from the fluid movement bottom area of the upper surface of the frame body toward the interconnector to support the side surface of the multifunctional structure.
  • the height of the guide protrusion may be less than or equal to the height of the anti-deformation support, the height of the composite functional structure may be the same as the height of the anti-deformation support.
  • the current collector may further include a current collector inserted into the channel opening, electrically connecting the interconnector and the upper electrode layer of the fuel cell, and having a rounded rectangular plate structure. The side edge portion of can be rounded.
  • anti-strain supports in the fluid movement bottom region of the frame, it is possible not only to induce a uniform flow of fuel or air, but also to generate inter It is possible to prevent deformation of the connector or the like, and also to prevent deformation of the frame itself, which may be caused by the thickness difference between the lower reference plane area and the cell support area.
  • a deviation occurs in the load applied to each part of the fuel cell in the fuel cell stack structure according to the position of the composite functional structure.
  • the guide protrusions for supporting the composite functional structure in the frame are described above. It is formed according to the bar and by placing the center structure relatively close to the fuel cell, and the corner structure relatively far away from the fuel cell, by applying to each part of the fuel cell cell stably supporting the composite function structure It is possible to reduce the deviation of the load.
  • FIG. 1A is a plan view illustrating a frame for a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a rear view of the frame for a fuel cell illustrated in FIG. 1A.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the cutting line A-A 'of FIG. 1A
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the cutting line B-B' of FIG. 1.
  • 3 is a partial plan view for explaining an embodiment of the anti-deformation support.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view for describing a fuel cell stack structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view illustrating the interconnector illustrated in FIG. 4.
  • FIG. 7A is a plan view of the current collector illustrated in FIG. 4, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the cutting line D-D ′ illustrated in FIG. 7A.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • FIG. 1A is a plan view illustrating a frame for a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a rear view of the frame for a fuel cell illustrated in FIG. 1A
  • 2A is a cross-sectional view taken along the cutting line A-A 'of FIG. 1A
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the cutting line B-B' of FIG. 1.
  • the fuel cell frame 100 supports the edge portion of the flat fuel cell (see '1200' in FIG. 4) in the fuel cell stack structure (see FIG. 4), thereby providing durability of the fuel cell stack structure. In addition to improving the assembly performance of the fuel cell stack structure can be improved.
  • the frame body 110 may have a rectangular frame structure in which a channel opening 111 exposing an electrode of a fuel cell is formed at a center portion thereof.
  • the channel opening 111 may have a substantially rectangular shape.
  • the frame body 110 is provided between the channel opening 111 and the first edge of the frame body 110 and supplied with fuel or air for electrochemical reaction of the supported fuel cell.
  • a fuel or gas is formed between the opening 112a and the channel opening 111 and the second edge of the frame body 110 opposite the first edge, and the fuel or gas supplied through the supply opening 112a is discharged.
  • a discharge opening 112b may be formed.
  • the upper surface of the frame main body 110 is moved into the frame main body 110 as compared to the upper reference plane area 110m and the upper reference plane area 110m.
  • a recessed fluid movement bottom region 110n1 and 110n2 may be included, and a step may be formed at a boundary between the upper reference plane region 110m and the fluid movement bottom region 110n1 and 110n2.
  • the fluid movement bottom regions 110n1 and 110n2 are provided at first edges of the frame body 110 so that fuel or air supplied to the supply opening 112a can easily move to the channel opening 111.
  • a first fluid movement bottom region 110n1 formed to surround the supply opening 112a from an adjacent first edge of the channel opening 111 and the supplied fuel or air are discharged from the channel opening 111.
  • the first fluid movement bottom region 110n1 and the second fluid movement bottom region 110n2 are spaced apart from each other with the channel opening 111 interposed therebetween, and are symmetrical with respect to the channel opening 111. It may have a structure. Therefore, hereinafter, the first fluid movement bottom region 110n1 will be mainly described, and the description of the second fluid movement bottom region 110n2 will be omitted.
  • the first fluid movement bottom region 110n1 may have a rectangular shape extending along a first edge of the opening 111 for the channel.
  • the length of the first fluid movement bottom region 110n1 along the first direction Y is the length of the first edge of the channel opening 111, that is, the first direction of the channel opening 111. It may be greater than or equal to the width in (Y), the width of the first fluid movement bottom region 110n1 in the second direction (X) perpendicular to the first direction (Y) is the channel opening 111 It may be greater than or equal to the shortest distance including the entire area of the supply opening (112a) from the first edge of. In an embodiment, as illustrated in FIG.
  • the length of the first fluid movement bottom region 110n1 may be greater than the width of the channel opening 111 in the first direction Y.
  • the width of the first fluid movement bottom region 110n1 may be equal to the shortest distance including the entire region of the supply opening 112a from the first edge of the channel opening 111.
  • the fuel cell stack structure 1000 is disposed between the frame 1100 and the interconnector 1300 to prevent deformation support members 1120a of the frame 1100.
  • a multifunctional structure 1400 for distributing loads acting between the frame 1100 and the interconnector 1300, and maintaining a gap between the frame 1100 and the interconnector 1300.
  • the guide protrusions 130a and 130b (1130a of FIG. 4) may support the side surfaces of the multifunctional structure (see 1400 of FIG. 4) to prevent the multifunctional structure from flowing.
  • the first guide protrusions 130a are center protrusions 130a1 formed in regions corresponding to adjacent supply holes so as not to disturb the flow of fuel or air moving from the supply opening 112 to the channel opening 111. ) May be included.
  • the center protrusions 130a1 may be regularly arranged in a lattice form.
  • three or more protrusions may include two or more protrusions arranged in a line along the second direction X, and adjacent protrusions may be adjacent to the first direction. (Y) may be arranged to be spaced apart at regular intervals.
  • two adjacent protrusions included in the first protrusion sequence and two protrusions included in the corresponding second protrusion sequence may be arranged to be disposed at a vertex position of the square.
  • the first guide protrusions 130a may include the first edge protrusions 130a2 formed in the left area of the supply opening 112a and the second edge protrusions formed in the right area. 130a3) may be further included.
  • each of the first and second edge protrusions 130a2 and 130a3 is formed in the same structure and arrangement as the center protrusions 130a1, detailed description thereof will be omitted.
  • the second guide protrusions 130b formed in the second fluid movement bottom region 110n2 are the first fluid movement. Since the first guide protrusions 130a formed in the bottom region 110n1 are formed to be substantially symmetrical, overlapping detailed descriptions of the second guide protrusions 130b will be omitted.
  • the first deformation preventing supports 120a formed in the first fluid movement bottom region 110n1 in the first deformation preventing supports 120a formed in the first fluid movement bottom region 110n1, the first supply holes and the second supply holes 112a are spaced apart from each other.
  • the guide protrusions 130a1 are formed in a first region between the first and second supply holes, and the first deformation preventing supports 120a are formed with the first supply hole.
  • the second region may be formed between the channel opening 111 and the third region between the second supply hole and the channel opening 111. That is, the first anti-deformation supports 120a may be formed in the second region and the third region spaced apart from each other with the first region therebetween.
  • all of the first anti-deformation supports 120a formed in the second region have an elliptical cross section having a long axis parallel to the second direction X as described above. It may be arranged in a line along the first direction (Y), it may be arranged to be spaced apart from each other by a predetermined interval.
  • the first deformation preventing supports 120a formed in the third region also have an elliptical cross section having a long axis parallel to the second direction X, and are arranged in a line along the first direction Y. It may be arranged to be spaced apart from each other by a predetermined interval.
  • the first deformation preventing supports 120a are formed as described above, since the first region in which the guide protrusions 130a1 are formed is located between the second region and the third region, the opening for the channel. There is a possibility that the supply of fuel or air is reduced in the portion corresponding to the first region of 111. In order to solve this problem, the first deformation preventing supports 120a may be formed as shown in FIG. 3.
  • the deformation preventing portion disposed adjacent to the guide protrusions 130a1 formed in the first region among the deformation preventing supports 120a1 and 120a2 formed in the second region.
  • the support 120a2 has an elliptical cross section having a long axis inclined in a positive direction with respect to the second direction X to direct fuel or air to the portion of the channel opening 111 corresponding to the first region.
  • the remaining deformation preventing supports 120a1 may be formed to have an elliptical cross section having a long axis parallel to the second direction X.
  • the anti-deformation supports 120a3 disposed adjacent to the guide protrusions 130a1 formed in the first area among the anti-deformation supports 120a1 and 120a3 formed in the third area may also supply fuel or air to the first area. It is formed to have an elliptical cross section having a long axis inclined in a negative direction with respect to the second direction (X) to guide to the corresponding portion of the opening for the channel (111), the remaining anti-deformation supports (120a1) It may be formed to have an elliptical cross section having a long axis parallel to the two directions (X).
  • the anti-deformation supports 120a1 and 120a2 formed in the second region and the anti-deformation supports 120a and 120a3 formed in the third region may be formed in the first region parallel to the second direction X.
  • the structure may be formed to be substantially symmetric with respect to the center line. As such, when the deformation preventing supports 120a1, 120a2, and 120a3 are formed, fuel or air may be uniformly supplied to the entire region of the channel opening 111.
  • the second deformation preventing support members 120b formed in the second fluid movement bottom region 110n2 are the first fluid. Since the first anti-deformation supports 120a formed in the moving bottom region 110n1 are formed to be substantially symmetrical, detailed descriptions of the second anti-deformation supports 120b will be omitted.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view illustrating a fuel cell stack structure according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a plan view illustrating the interconnector illustrated in FIG. 4
  • FIG. It is a plan view for. 7A is a plan view of the current collector illustrated in FIG. 4, and
  • FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the cutting line D-D ′ illustrated in FIG. 7A.
  • the frame 1100 is substantially the same as the fuel cell frame 100 described with reference to FIGS. 1A, 1B, 2A, 2B, and 3, the detailed description thereof will be omitted.
  • the fuel cell 1200 may have a planar structure and may be disposed on a cell support surface region (see 110s of FIG. 1B) of the frame 1100.
  • the fuel cell 1200 may include a first electrode layer and a second electrode layer facing each other, and an electrolyte layer disposed therebetween.
  • the fuel cell 1200 may be a solid oxide fuel cell formed with the electrolyte layer formed of a solid oxide.
  • an edge portion of the electrolyte layer is disposed on a cell support surface region of the frame 1100 (see 110s in FIG. 1A).
  • the first electrode layer may be exposed by the channel opening (see 111 in FIG. 1A) of the frame 1100.
  • the interconnector 1300 may be disposed on the frame 1100 and the fuel cell 1200, and may be electrically connected to the first electrode layer of the fuel cell 1200 through the current collector 1400. . Although not shown in the drawings, the interconnector 1300 may be electrically connected to a second electrode layer of another fuel cell (not shown) disposed on the interconnector 1300. Fuel cell cells may be connected in series with each other by the interconnector 1300.
  • the interconnect 1300 is provided with supply openings (see '112a' in FIG. 1A of FIG. 1A, referred to as 'first supply openings' for convenience of description) and discharge as shown in FIG. 5.
  • a plate structure in which a second supply opening 1312a and a second discharge opening 1312b are formed in communication with the openings (refer to '112b' of FIG. 1A, hereinafter, referred to as 'first discharge openings' for convenience of description).
  • First channel partitions 1320a disposed in an area corresponding to the opening of the channel of the frame 1100 of the interconnect body 1310, the lower surface of the interconnect body 1310 facing the frame 1100, and Interconnect guide protrusions protruding from the lower surface of the interconnector body 1310 and facing the guide protrusions 1130 of the frame 1300 (hereinafter referred to as 'frame guide protrusions' for convenience of description). 1330a, 1330b).
  • the interconnector 1300 may include second channel partitions disposed in an area corresponding to a channel opening (see '111' in FIG. 1) of the frame 1100 of an upper surface of the interconnect body 1310 ( 1320b) may be further included.
  • the interconnect body 1310 may be formed of a conductive material, for example, a metal material, and may have a rectangular plate structure having an edge having the same shape or size as that of the frame 1100.
  • the first channel partitions 1320a are formed to protrude from the lower surface of the interconnect body 1310 in the direction of the frame 1100, extend in the second direction X, and extend in the first direction Y. It may be arranged spaced apart from each other to form a channel through which fuel or air can flow.
  • the second channel partitions 1320b are formed to protrude from the upper surface of the interconnect body 1310 and extend in a direction crossing the first channel partitions 1320a, and are spaced apart from each other at regular intervals. Can be formed.
  • the first and second channel partitions 1320a and 1320b may be formed of the same material as the interconnect body 1310.
  • the first and second channel partitions 1320a and 1320b may be integrally formed with the interconnect body 1310.
  • the interconnector guide protrusions 1330a and 1330b may be formed to protrude from the lower surface of the interconnect body 1310.
  • the interconnector guide protrusions 1330a and 1330b are positioned to face the frame guide protrusions (see '130a' and '130b' of FIG. 1A) formed in the frame, and the frame guide protrusions ('130a' of FIG. 1A). It may be formed on the bottom surface of the interconnect body 1310 to have the same structure and arrangement (see, '130b'). Therefore, duplicated detailed descriptions of the interconnector guide protrusions 1330a and 1330b will be omitted.
  • the multifunctional structures 1400 are formed between a first fluid movement bottom region (see '110n1' in FIG. 1A) of the upper surface of the frame body 110 and a corresponding portion of the interconnect body 1310.
  • a first fluid functional area 1400a and a second fluid movement bottom region (see '110n2' in FIG. 1A) of the upper surface of the frame body 110 and a corresponding portion of the interconnect body 1310. 2 may include multiple functional structures (not shown).
  • the second multifunctional structures are disposed substantially symmetrically with the first multifunctional structures 1400a. Since it is substantially the same as the first multi-function structure (1400a) except that it will be mainly described for the first multi-function structure (1400a), the description of the second multi-function structure Omit.
  • the first composite functional structures 1400a may have a columnar structure having cross sections of various shapes.
  • each of the first composite functional structures 1400a may have a cylindrical structure having a circular cross-sectional shape.
  • the heights of the first composite functional structures 1400a may be substantially the same as the heights of the anti-deformation supports 1120 of the frame 1100.
  • Lower and upper ends of the first multi-function structures 1400a may include the first fluid movement bottom region (see 110n1 in FIG. 1A) of the upper surface of the frame body 1110 and the corresponding interconnect body. Respectively supported by the bottom surface of the 1310.
  • lower end portions of the first composite functional structures 1400a are inserted into a space between the frame guide protrusions 1130a of the frame 1100, and the side surface thereof is formed by the frame guide protrusions 1130a.
  • the upper end portion of the first composite functional structures 1400a may be inserted into a space between the interconnector guide protrusions 1330a of the interconnector 1300 such that the side surface of the interconnector guide protrusions may be supported. And may be supported by 1330a.
  • the first composite functional structures 1400a may include adjacent supply holes 112a among the first fluid movement bottom region 1110n1 of the upper surface of the frame body 1110. At least one center structure 1400a1 disposed on a center region between the first center structure 1400a1, a first corner structure 1400a2 and the first corner structure disposed on the right edge region of the supply holes of the first fluid movement bottom region 1110n1. It may include a second corner structure (1400a3) disposed on the left edge region of the supply holes of the fluid movement bottom region 1110n1. In this case, the distance from the first edge of the frame body 1110 to the center structure 1400a1 in order to reduce the load deviation applied to the fuel cell 1200 supported by the frame 1100. D1) may be greater than a distance D2 from the first edge of the frame body 1110 to the first and second corner structures 1400a2 and 1400a3.
  • Table 1 shows the result of measuring the load applied to each fuel cell region according to the position of the composite functional structure.
  • the value of the position of the composite functional structure represents a relative distance in the X-axis direction of the composite functional structures measured based on a reference line parallel to the first direction X of FIG. 6.
  • 'Comparative Example' is a case where the center structure and the first and second corner structures are disposed on the reference line, and 'Examples 1 to 3' are the center structures as compared to the comparative example, '+
  • the first and second corner structures are moved by the display distance in the X 'direction and the first and second corner structures are moved by the display distance in the' X 'direction.

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Abstract

연료전지용 프레임이 개시된다. 연료전지용 프레임은 채널용 개구와 상기 채널용 개구를 사이에 두고 서로 이격된 공급 개구 및 배출 개구가 형성된 프레임 본체 및 프레임 본체의 상부면 중 채널용 개구와 공급 개구 사이의 제1 영역 및 채널용 개구와 배출 개구 사이의 제2 영역으로부터 돌출되도록 형성되고, 장축과 단축을 갖는 타원형 단면 형상을 갖는 복수의 변형방지 지지체들을 구비한다.

Description

연료전지용 프레임 및 이를 포함하는 연료전지 스택 구조물
본 발명은 연료 전지용 프레임 및 이를 포함하는 연료전지 스택 구조물에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 연료전지 스택 구조물의 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 프레임 및 이를 포함하는 연료전지 스택 구조물에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지란 전해질층 양면들 각각에 공기극층 및 연료극층을 형성하고, 이 공기극층 및 연료극층 각각에 산소를 포함하는 공기와 수소를 포함하는 연료 가스를 흘려주면 상기의 전해질층에서 이온 전도현상을 통해 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하여 전기를 생성하는 발전 장치이다.
이러한 연료 전지는 에너지 전환단계가 간단하고 원리적으로 수소를 산화시켜 에너지를 생산하는 고효율, 무공해 발전기라는 친환경적인 특성 때문에 최근 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히, 상기 연료 전지 중 고체산화물 연료 전지(SOFC)는 전해질로써 세라믹을 사용하여 약 600 내지 1000 ℃ 정도의 고온에서 작동되는 연료전지로써, 다른 용융탄산염 연료전지(MCFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자형 연료전지(PEFC) 등 여러 형태의 연료 전지들 중 가장 효율이 높고 공해가 적을 뿐 아니라, 연료 개질기를 필요로 하지 않고 복합발전이 가능하다는 여러 장점을 지니고 있다.
이러한 연료 전지는 일반적으로 고출력을 달성하기 위해 전해질층, 공기극층 및 연료극층으로 이루어진 단전지를 적층하여 스택을 구성하여 사용된다. 연료전지 스택은 프레임, 인터커넥터 등의 부재를 이용하여 복수의 연료전지 단전지를 적층하게 되는데, 연료전지 스택의 조립 과정이나 운전 중에는 단전지들의 안정적인 전기적 연결이나 연료 또는 공기의 밀봉을 위해 상기 연료전지 스택에 고압의 압력이 인가된다. 그 결과, 연료전지 스택을 구성하는 구성요소들, 예를 들면, 연료전지 단전지, 프레임, 인터커넥트 등은 이러한 고압에 의해 변형될 가능성이 높고, 이들의 변형은 연료전지 스택의 안정성뿐만 아니라 전력 효율 등을 저하시키고, 연료전지 스택의 수명을 감소시킨다.
본 발명의 일 목적은 연료전지 스택 구조물의 내구성 및 안정성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 프레임을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 프레임을 포함하여 내구성 및 안정성이 향상된 연료전지 스택 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 프레임은 채널용 개구와 상기 채널용 개구를 사이에 두고 서로 이격된 공급 개구 및 배출 개구가 형성된 프레임 본체; 및 상기 프레임 본체의 상부면 중 상기 채널용 개구와 상기 공급 개구 사이의 제1 영역 및 상기 채널용 개구와 상기 배출 개구 사이의 제2 영역으로부터 돌출되도록 형성되고, 장축과 단축을 갖는 타원형 단면 형상을 갖는 복수의 변형방지 지지체들을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 변형방지 지지체들의 장축은 상기 공급 개구로부터 상기 배출 개구를 향하는 제1 방향에 평행하고, 상기 제1 영역에 형성된 변형방지 지지체들 및 상기 제2 영역에 형성된 변형방지 지지체들은 각각 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 일렬로 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 프레임 본체의 상부면은 상부 기준면 영역 및 상기 기준면 영역에 비해 상기 프레임 본체 내부로 함몰되고 상기 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 유체이동 저면 영역을 구비할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 변형방지 지지체들의 돌출 높이는 상기 상부 기준면 영역과 상기 유체이동 저면 영역의 높이차의 80% 이상 120% 이하일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 프레임 본체의 하부면은 하부 기준면 영역 및 상기 채널용 개구의 가장자리를 따라 형성되고 상기 하부 기준면 영역에 비해 상기 프레임 본체 내부로 함몰된 셀 지지 영역을 구비하고, 상기 변형방지 지지체들은 상기 하부 기준면 영역 상부에서 상기 셀 지지 영역 상부까지 연장되도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 유체이동 저면 영역으로부터 돌출되도록 형성되고, 격자 형태로 규칙적으로 배치된 가이드 돌기들을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 공급 개구는 서로 이격된 제1 공급홀 및 제2 공급홀을 포함하고, 상기 제1 영역은 상기 제1 공급홀과 상기 채널용 개구 사이에 위치하는 제3 영역, 상기 제2 공급홀과 상기 채널용 개구 사이에 위치하는 제4 영역 및 상기 제3 영역과 상기 제4 영역 사이에 위치하여 상기 제1 공급홀과 상기 제2 공급홀의 사이 영역에 대응하는 제5 영역을 포함하고, 상기 제1 영역에 형성된 상기 변형방지 지지체들은 상기 제3 영역과 상기 제4 영역에 형성되며, 상기 가이드 돌기들 중 적어도 일부는 상기 제5 영역에 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 영역에 형성된 변형방지 지지체들 중 상기 제5 영역에 인접하게 배치된 적어도 일부는 나머지 변형방지 지지체들의 장축 방향에 비해 상기 제5 영역 방향으로 경사진 장축을 갖고, 상기 제4 영역에 형성된 변형방지 지지체들 중 상기 제5 영역에 인접하게 배치된 적어도 일부는 나머지 변형방지 지지체들의 장축 방향에 비해 상기 제5 영역 방향으로 경사진 장축을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택은 전해질층, 상기 전해질층의 상부면과 하부면에 각각 형성된 상부 전극층 및 하부 전극층을 포함하는 연료전지 셀; 상기 연료전지 셀의 상부에 배치된 프레임; 및 상기 프레임의 상부에 배치된 인터커넥터를 포함한다. 그리고 상기 프레임은 상기 상부 전극층을 노출시키는 채널용 개구 및 상기 채널용 개구를 사이에 두고 서로 이격된 공급 개구와 배출 개구가 형성된 프레임 본체; 및 상기 프레임의 상부면 중 상기 채널용 개구와 상기 공급 개구 사이의 제1 영역 및 상기 채널용 개구와 상기 배출 개구 사이의 제2 영역으로부터 상기 인터커넥터 방향으로 돌출되도록 형성되고, 장축과 단축을 갖는 타원형 단면 형상을 갖는 복수의 변형방지 지지체들을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 스택 구조물은 상기 프레임 본체와 이에 대응하는 상기 인터커넥터 부분 사이에 배치된 복합기능 구조체를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복합기능 구조체는 상부 기준면 영역 및 상기 기준면 영역에 비해 상기 프레임 본체 내부로 함몰되고 상기 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 유체이동 저면 영역을 구비하는 상기 프레임 본체의 상부면 중 상기 유체이동 저면 영역과 이에 대응하는 상기 인터커넥터 부분 사이에 배치될 수 있다. 그리고 상기 프레임은 상기 프레임 본체의 상부면 중 상기 유체이동 저면 영역으로부터 상기 인터커넥터 방향으로 돌출되어 상기 복합기능 구조체의 측면을 지지하는 복수의 가이드 돌기들 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 가이드 돌기의 높이는 상기 변형방지 지지체들의 높이보다 작거나 같고, 상기 복합기능 구조체의 높이는 상기 변형방지 지지체들의 높이와 동일할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 채널용 개구에 삽입되고, 상기 인터커넥터와 상기 연료전지 셀의 상부 전극층을 전기적으로 연결하며, 모서리가 라운드진 사각 플레이트 구조의 집전체를 더 포함하고, 상기 집전체 모서리의 측면 가장자리 부분은 라운드질 수 있다.
본 발명에 따르면, 프레임의 유체이동 저면 영역에 변형방지 지지체들을 형성함으로써 연료 또는 공기의 균일한 흐름을 유도할 수 있을 뿐만 아니라 유체이동 저면 영역과 상부 기준면 영역 사이의 높이차에 의해 발생할 수 있는 인터커넥터 등의 변형을 방지할 수 있고, 또한 하부 기준면 영역과 셀 지지 영역 사이의 두께차에 의해 발생될 수 있는 프레임 자체의 변형도 방지할 수 있다.
또한, 복합기능 구조체의 위치에 따라 연료전지 스택 구조물 내에서 연료전지 셀의 각 부위별 인가되는 하중에 편차가 발생하게 되는데, 본 발명에서는 프레임에 상기 복합기능 구조체를 지지하기 위한 가이드 돌기들을 앞에서 설명한 바에 따라 형성하고 상기 복합기능 구조체 중 센터 구조체를 연료전지 셀에 상대적으로 가깝게 배치시키며 코너 구조체들을 연료전지 셀로부터 상대적으로 멀게 배치시킴으로써, 복합기능 구조체를 안정적으로 지지하면서도 연료전지 셀의 각 부위에 인가되는 하중의 편차를 감소시킬 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 프레임을 설명하기 위한 평면도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 연료전지용 프레임의 배면도이다.
도 2a는 도 1a에 도시된 절단선 A-A'을 따라 절단한 단면도이고, 도 2b는 도 1에 도시된 절단선 B-B'을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 변형방지 지지체들의 일 실시예를 설명하기 위한 부분 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 구조물을 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 인터커넥터를 설명하기 위한 평면도이다.
도 6은 복합기능 구조체들의 위치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 7a는 도 4에 도시된 집전체의 평면도이고, 도 7b는 도 7a에 도시된 절단선 D-D'을 따라 절단한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 스택 구조물에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 프레임을 설명하기 위한 평면도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 연료전지용 프레임의 배면도이다. 그리고 도 2a는 도 1a에 도시된 절단선 A-A'을 따라 절단한 단면도이고, 도 2b는 도 1에 도시된 절단선 B-B'을 따라 절단한 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 프레임(100)은 연료전지 스택 구조물(도 4 참조)에서 평판형 연료전지 셀(도 4의 '1200' 참조)의 가장자리 부분을 지지하여 연료전지 스택 구조물의 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 상기 연료전지 스택 구조물의 조립성을 향상시킬 수 있다.
도 1a, 도 1b, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 프레임(100)은 프레임 본체(110) 및 복수의 변형방지 지지체(120)를 포함할 수 있다.
상기 프레임 본체(110)는 가운데 부분에 연료전지 셀의 전극을 노출시키는 채널용 개구(111)가 형성된 사각 프레임 구조를 가질 수 있다. 상기 채널용 개구(111)는 실질적으로 사각형 형태로 형성될 수 있다. 그리고 상기 프레임 본체(110)에는, 상기 채널용 개구(111)와 상기 프레임 본체(110)의 제1 가장자리 사이에 형성되고, 지지된 연료전지 셀의 전기화학적 반응을 위한 연료나 공기가 공급되는 공급 개구(112a) 및 상기 채널용 개구(111)와 상기 제1 가장자리와 대향하는 상기 프레임 본체(110)의 제2 가장자리 사이에 형성되고, 상기 공급 개구(112a)를 통해 공급된 연료나 가스가 배출되는 배출 개구(112b)가 형성될 수 있다. 상기 공급 개구(112a) 및 배출 개구(112b) 각각은 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 상기 프레임 본체(110)의 제1 및 제2 가장자리의 연장방향인 제1 방향(Y)으로 각각 연장되고 서로 이격된 2 이상의 홀을 포함하는 구조로 형성될 수도 있고, 이와 달리, 상기 제1 방향(Y)을 따라 길게 연장된 단일 홀의 구조로 형성될 수도 있다.
한편, 도 1a, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 프레임 본체(110)의 상부면은 상부 기준면 영역(110m) 및 상기 상부 기준면 영역(110m)에 비해 상기 프레임 본체(110) 내부로 함몰된 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)을 포함할 수 있고, 상기 상부 기준면 영역(110m)과 상기 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)의 경계에는 단차가 형성될 수 있다. 한편, 상기 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)은 상기 공급 개구(112a)로 공급된 연료 또는 공기가 상기 채널용 개구(111)로 용이하게 이동할 수 있도록 상기 프레임 본체(110)의 제1 가장자리에 인접한 상기 채널용 개구(111)의 제1 가장자리로부터 상기 공급 개구(112a)를 둘러싸도록 형성된 제1 유체이동 저면 영역(110n1) 및 상기 공급된 연료 또는 공기가 상기 채널용 개구(111)로부터 상기 배출 개구(112b)로 용이하게 이동할 수 있도록 상기 프레임 본체(110)의 제2 가장자리에 인접한 상기 채널용 개구(111)의 제2 가장자리로부터 상기 배출 개구(112b)를 둘러싸도록 형성된 제2 유체이동 저면 영역(110n2)을 포함할 수 있다. 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)과 상기 제2 유체이동 저면 영역(110n2)은 상기 채널용 개구(111)를 사이에 두고 서로 이격되고, 상기 채널용 개구(111)를 기준으로 서로 대칭된 구조를 가질 수 있다. 따라서 이하에서는 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)에 대해 주로 설명하고, 상기 제2 유체이동 저면 영역(110n2)에 대한 설명은 생략한다.
상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)은 도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 채널용 개구(111)의 제1 가장자리를 따라 길게 연장된 사각형 형상을 가질 수 있다. 상기 제1 방향(Y)에 따른 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)의 길이는 상기 채널용 개구(111)의 제1 가장자리의 길이, 즉, 상기 채널용 개구(111)의 상기 제1 방향(Y)으로의 폭보다 크거나 같을 수 있고, 상기 제1 방향(Y)에 수직한 제2 방향(X)에 따른 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)의 폭은 상기 채널용 개구(111)의 제1 가장자리로부터 상기 공급 개구(112a)의 전체 영역을 포함하는 최단 거리보다 크거나 같을 수 있다. 일 실시예로, 도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)의 길이는 상기 채널용 개구(111)의 상기 제1 방향(Y)으로의 폭보다 클 수 있고, 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)의 폭은 상기 채널용 개구(111)의 제1 가장자리로부터 상기 공급 개구(112a)의 전체 영역을 포함하는 최단 거리와 동일할 수 있다.
도 1b, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 프레임 본체(110)의 하부면은 하부 기준면 영역(110r) 및 상기 하부 기준면 영역(110r)에 비해 상기 프레임의 본체(110)의 내부로 함몰된 셀 지지면 영역(110s)을 포함할 수 있고, 상기 하부 기준면 영역(110r)과 상기 셀 지지면 영역(110s)의 경계에는 단차가 형성될 수 있다. 상기 셀 지지면 영역(110s)은 상기 채널용 개구(111)를 둘러싸도록 상기 채널용 개구(111)의 가장자리를 따라 일정한 폭으로 형성될 수 있다. 상기 셀 지지면 영역(110s)의 폭은 상기 채널용 개구(111)로부터 상기 공급 개구(112a)까지의 최단 거리보다 작을 수 있고, 그 결과 상기 셀 지지면 영역(110s)의 폭은 상기 제2 방향(X)에 따른 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)의 폭보다 작을 수 있다.
상기 복수의 변형방지 지지체(120a, 120b)는 상기 프레임 본체(110)의 상부면 중 상기 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)에 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 변형방지 지지체(120a, 120b)는 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)에 형성된 제1 변형방지 지지체들(120a) 및 상기 제2 유체이동 저면 영역(110n2)에 형성된 제2 변형방지 지지체들(120b)을 포함할 수 있다. 상기 제2 유체이동 저면 영역(110n2)에 형성된 상기 제2 변형방지 지지체들(120b)은 상기 채널용 개구(111)를 기준으로 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)에 형성된 상기 제1 변형방지 지지체들(120a)과 실질적으로 대칭인 구조를 가지므로, 이하에서는 상기 제1 변형방지 지지체들(120a)에 대해서 주로 설명하고 상기 제2 변형방지 지지체들(120b)에 대한 설명은 생략한다.
상기 제1 변형방지 지지체들(120a)은 상기 공급 개구(112a)와 상기 채널용 개구(111) 사이에 배치되고, 상기 제1 방향(Y)을 따라 일렬로 배열될 수 있다.
상기 제1 변형방지 지지체들(120a)은 상기 프레임 몸체(110)의 상부면 중 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)으로부터 돌출되도록 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)을 기준으로 한 상기 제1 변형방지 지지체들(120a)의 높이는 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)과 상기 상부 기준면 영역(110m)의 높이차와 유사할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 변형방지 지지체들(120a)의 높이는 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)과 상기 상부 기준면 영역(110m) 높이차의 약 80% 이상 120% 이하일 수 있다. 연료전지 스택 구조물(도 4의 '1000' 참조) 내에서, 상기 변형방지 지지체들(120a, 120b)은 외부 하중에 대해 인접하게 배치된 인터커넥터(도 4의 '1300' 참조)를 지지함으로써, 상기 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)과 상기 상부 기준면 영역(110m) 사이의 높이차에 의해 발생할 수 있는 상기 인터커넥터 및 다른 구성요소들에 변형을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 변형방지 지지체들(120a, 120b)의 높이가 상기 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)과 상기 상부 기준면 영역(110m) 높이차의 80% 미만인 경우, 상기 인터커넥터 및 다른 구성요소들의 변형 방지 기능을 수행할 수 없는 문제점이 발생할 수 있다. 그리고 상기 변형방지 지지체들(120a, 120b)의 높이가 상기 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)과 상기 상부 기준면 영역(110m) 높이차의 120%를 초과하는 경우, 상기 변형방지 지지체들(120a, 120b)의 상부면과 상기 상부 기준면 영역(110m) 사이의 높이차에 의해 상기 프레임 본체(110) 또는 인접한 구성요소들이 변형되는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 상기 변형방지 지지체들(120a, 120b) 각각은 상기 프레임 본체(110)의 하부면 중 하부 기준면 영역(110r) 상부에서부터 상기 셀 지지면 영역(110s) 상부까지 연장되도록 형성될 수 있다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 프레임 본체(110) 중 상기 셀 지지면 영역(110s)에 대응하는 부분과 상기 하부 기준면 영역(110r)에 대응하는 부분 사이에는 두께 차이가 존재하고, 이러한 두께 차이에 의해 상기 프레임 본체(110)에 외부 하중이 인가되는 경우 상기 프레임 본체(110)는 상기 하부 기준면 영역(110r)과 상기 셀 지지면 영역(110s)의 경계에서 휘어지는 변형이 발생할 수 있다. 하지만, 본 발명에서는, 상기 변형방지 지지체들(120a, 120b)을 상기와 같이 상기 하부 기준면 영역(110r)의 상부로부터 상기 셀 지지면 영역(110s)의 상부까지 연장되도록 형성함으로써, 상기 하부 기준면 영역(110r)과 상기 셀 지지면 영역(110s)의 경계에서 발생하는 상기 프레임 본체(110)의 변형을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 제1 변형방지 지지체들(120a)은 상기 공급 개구(112a)로부터 상기 채널용 개구(111) 방향으로 길게 연장된 타원 형상의 단면을 가질 수 있다. 예를 들면, 도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 제1 변형방지 지지체들(120a) 각각은 상기 제2 방향(X)에 평행한 장축 및 상기 제1 방향(Y)에 평행한 단축을 갖는 타원 형상의 단면을 가질 수 있다. 이와 같이, 상기 공급 개구(112a)와 상기 채널용 개구(111) 사이에 상기 제2 방향(X)에 평행한 장축을 갖는 타원 형상 단면의 제1 변형방지 지지체들(120a)을 형성하는 경우, 상기 공급 개구(112a)로 공급된 연료 또는 공기를 상기 채널용 개구(111) 전체 영역으로 균일하게 가이드할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 프레임(100)은 상기 프레임 본체(110)의 상부면 중 상기 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)에 형성된 가이드 돌기들(130a, 130b)을 더 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 구조물(1000)은 프레임(1100)과 인터커넥터(1300) 사이에 배치되어 상기 프레임(1100)의 변형방지 지지체들(1120a)과 함께 상기 프레임(1100)과 상기 인터커넥터(1300) 사이에 작용하는 하중의 분산, 상기 프레임(1100)과 상기 인터커넥터(1300)의 간격 유지 등의 기능을 하는 복합기능 구조체(1400)을 포함하는데, 상기 가이드 돌기들(130a, 130b; 도 4의 1130a)은 상기 복합기능 구조체(도 4의 '1400' 참조)의 측면을 지지하여 상기 복합기능 구조체가 유동하는 것을 방지할 수 있다.
상기 유체이동 저면 영역(110n1, 110n2)을 기준으로 한 상기 가이드 돌기들(130a, 130b) 각각의 높이는 상기 변형방지 지지체들(120a, 120b)의 높이보다 작거나 동일할 수 있다. 그리고 상기 가이드 돌기들(130a, 130b) 각각은 다양한 단면 형상을 가질 수 있는데, 일 예로, 상기 가이드 돌기들(130a, 130b) 각각은 원형의 단면 형상을 가질 수 있다.
일 실시예로, 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)에 형성된 제1 가이드 돌기들(130a)에 있어서, 상기 공급 개구(112a)가 서로 이격된 2 이상의 공급홀을 포함하는 경우, 상기 제1 가이드 돌기들(130a)은 상기 공급 개구(112)로부터 상기 채널용 개구(111)로 이동하는 연료 또는 공기의 흐름을 방해하지 않도록 인접한 공급홀들 사이에 대응하는 영역에 형성된 센터부 돌기들(130a1)을 포함할 수 있다.
상기 센터부 돌기들(130a1)은 격자 형태로 규칙적으로 배열될 수 있다. 예를 들면, 상기 센터부 돌기들(130a1)에 있어서, 3개 이상의 돌기들이 상기 제2 방향(X)을 따라 일렬로 배열된 돌기열을 2개 이상 포함하고, 인접한 돌기열들은 상기 제1 방향(Y)으로 일정 간격 이격되게 배치될 수 있다. 구체적으로, 인접한 제1 및 제2 돌기열에 있어서, 제1 돌기열에 포함된 2개의 인접한 돌기들과 이에 대응하는 제2 돌기열에 포함된 2개의 돌기들은 정사각형의 꼭지점 위치에 배치되도록 배열될 수 있다. 이 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 복합기능 구조체(도 4의 '1400a')의 단부는 정사각형 형태로 배열된 4개의 돌기들(도 4의 '1330a') 사이의 공간에 삽입되고, 상기 4개의 돌기들에 의해 측면이 지지될 수 있다. 따라서, 본 발명에서와 같이 상기 가이드 돌기들(130a, 130b)을 배열시키는 경우, 상기 복합기능 구조체(도 4의 '1400')가 삽입될 수 있는 공간이 복수로 형성되므로, 상기 복합기능 구조체(도 4의 '1400')의 위치를 변경시킬 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
한편, 상기 제1 가이드 돌기들(130a)은 도 1a에 도시된 바와 같이 공급 개구(112a)의 좌측 영역에 형성된 제1 가장자리부 돌기들(130a2) 및 우측 영역에 형성된 제2 가장자리부 돌기들(130a3)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 가장자리부 돌기들(130a2, 130a3) 각각은 상기 센터부 돌기들(130a1)과 동일한 구조 및 배치로 형성되므로 이에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
한편, 상기 제1 방향(Y)에 평행한 상기 프레임 본체(110)의 중심선을 기준으로, 상기 제2 유체이동 저면 영역(110n2)에 형성된 제2 가이드 돌기들(130b)은 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)에 형성된 제1 가이드 돌기들(130a)과 실질적으로 대칭되게 형성되므로 상기 제2 가이드 돌기들(130b)에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
이하 도 1a 및 도 3을 참조하여 변형방지 지지체들의 배열에 대해 상술한다.
도 1a 및 도 3을 참조하면, 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)에 형성된 제1 변형방지 지지체들(120a)에 있어서, 상기 공급 개구(112a)가 서로 이격된 제1 공급홀 및 제2 공급홀을 포함하는 경우, 상기 제1 및 제2 공급홀들 사이의 제1 영역에는 상기 가이드 돌기들(130a1)이 형성되고, 상기 제1 변형방지 지지체들(120a)은 상기 제1 공급홀과 상기 채널용 개구(111) 사이의 제2 영역 및 상기 제2 공급홀과 상기 채널용 개구(111) 사이의 제3 영역에 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1 변형방지 지지체들(120a)은 상기 제1 영역을 사이에 두고 서로 이격된 상기 제2 영역과 상기 제3 영역에 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 제2 영역에 형성된 제1 변형방지 지지체들(120a)은 모두 앞에서 설명한 바와 같이 상기 제2 방향(X)에 평행한 장축을 갖는 타원형 단면을 갖고, 상기 제1 방향(Y)을 따라 일렬로 배열되며, 서로 일정한 간격만큼 이격되도록 배치될 수 있다. 그리고 상기 제3 영역에 형성된 제1 변형방지 지지체들(120a) 역시 모두 상기 제2 방향(X)에 평행한 장축을 갖는 타원형 단면을 갖고, 상기 제1 방향(Y)을 따라 일렬로 배열되며, 서로 일정한 간격만큼 이격되도록 배치될 수 있다.
다만, 상기와 같이 제1 변형방지 지지체들(120a)을 형성하는 경우, 상기 제2 영역과 상기 제3 영역 사이에 상기 가이드 돌기들(130a1)이 형성된 제1 영역이 위치하므로, 상기 채널용 개구(111) 중 상기 제1 영역에 대응하는 부분에는 연료 또는 공기의 공급이 감소될 가능성이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 상기 제1 변형방지 지지체들(120a)을 도 3과 같이 형성할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제2 영역에 형성된 변형방지 지지체들(120a1, 120a2) 중 상기 제1 영역에 형성된 상기 가이드 돌기들(130a1)에 인접하게 배치된 변형방지 지지체(120a2)는 연료 또는 공기를 상기 제1 영역에 대응하는 상기 채널용 개구(111) 부분으로 유도하도록 상기 제2 방향(X)에 대해 양의 방향으로 경사진 장축을 갖는 타원형 단면을 가지도록 형성되고, 나머지 변형방지 지지체들(120a1)은 상기 제2 방향(X)에 평행한 장축을 갖는 타원형 단면을 가지도록 형성될 수 있다.
그리고 상기 제3 영역에 형성된 변형방지 지지체들(120a1, 120a3) 중 상기 제1 영역에 형성된 가이드 돌기들(130a1)에 인접하게 배치된 변형방지 지지체(120a3) 역시 연료 또는 공기를 상기 제1 영역에 대응하는 상기 채널용 개구(111) 부분으로 유도하도록 상기 제2 방향(X)에 대해 음의 방향으로 경사진 장축을 갖는 타원형 단면을 가지도록 형성되고, 나머지 변형방지 지지체들(120a1)는 상기 제2 방향(X)에 평행한 장축을 갖는 타원형 단면을 가지도록 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 제2 영역에 형성된 변형방지 지지체들(120a1, 120a2)과 상기 제3 영역에 형성된 변형방지 지지체들(120a, 120a3)은 상기 제2 방향(X)에 평행한 상기 제1 영역의 중심선을 기준으로 실질적으로 대칭인 구조로 형성될 수 있다. 이와 같이 변형방지 지지체들(120a1, 120a2, 120a3)을 형성하는 경우, 상기 채널용 개구(111)의 전체 영역에 균일하게 연료 또는 공기를 공급할 수 있다.
한편, 상기 제1 방향(Y)에 평행한 상기 프레임 본체(110)의 중심선을 기준으로, 상기 제2 유체이동 저면 영역(110n2)에 형성된 제2 변형방지 지지체들(120b)은 상기 제1 유체이동 저면 영역(110n1)에 형성된 제1 변형방지 지지체들(120a)과 실질적으로 대칭되게 형성되므로 상기 제2 변형방지 지지체들(120b)에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 구조물을 설명하기 위한 부분 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 인터커넥터를 설명하기 위한 평면도이며, 도 6은 복합기능 구조체들의 위치를 설명하기 위한 평면도이다. 그리고 도 7a는 도 4에 도시된 집전체의 평면도이고, 도 7b는 도 7a에 도시된 절단선 D-D'을 따라 절단한 단면도이다.
도 4, 도 5, 도 6, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 구조물(1000)은 프레임(1100), 연료전지 셀(1200), 인터커넥터(1300), 복합기능 구조체(1400) 및 집전판(1500)을 포함할 수 있다.
상기 프레임(1100)은 도 1a, 도 1b, 도 2a, 도 2b 및 도 3을 참조하여 설명한 연료전지용 프레임(100)과 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
상기 연료전지 셀(1200)은 평판형 구조를 가질 수 있고, 상기 프레임(1100) 중 셀 지지면 영역(도 1b의 '110s' 참조) 상에 배치될 수 있다. 상기 연료전지 셀(1200)은 서로 대향하는 제1 전극층과 제2 전극층 및 이들 사이에 배치된 전해질층을 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 연료전지 셀(1200)은 상기 전해질층이 고체산화물로 형성된 고체산화물 연료전지 셀일 수 있다.
상기 연료전지 셀(1200)이 상기 프레임(1100)에 지지되는 경우, 상기 전해질층의 가장자리 부분이 상기 프레임(1100)의 셀 지지면 영역(도 1a의 '110s' 참조) 상에 배치되고, 상기 제1 전극층이 상기 프레임(1100)의 채널용 개구(도 1a의 '111' 참조)에 의해 노출될 수 있다.
상기 인터커넥터(1300)는 상기 프레임(1100) 및 상기 연료전지 셀(1200) 상부에 배치되고, 상기 집전체(1400)를 통해 상기 연료전지 셀(1200)의 제1 전극층과 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고 도면에 도시되진 않았지만, 상기 인터커넥터(1300)는 상기 인터커넥터(1300) 상부에 배치된 또 다른 연료전지 셀(미도시)의 제2 전극층과 전기적으로 연결될 수 있고, 그 결과, 상기 2개의 연료전지 셀은 상기 인터커넥터(1300)에 의해 서로 직렬 형태로 연결할 수 있다.
상기 인터커넥터(1300)는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 프레임(1100)의 공급 개구들(도 1a의 '112a' 참조, 이하 설명의 편의를 위해 '제1 공급 개구들'이라 함) 및 배출 개구들(도 1a의 '112b' 참조, 이하 설명의 편의를 위해 '제1 배출 개구들'이라 함)과 각각 연통하는 제2 공급 개구(1312a) 및 제2 배출 개구(1312b)가 형성된 플레이트 구조의 인터커넥트 본체(1310), 상기 프레임(1100)과 마주보는 상기 인터커넥트 본체(1310)의 하부면 중 상기 프레임(1100)의 채널용 개구에 대응하는 영역에 배치된 제1 채널격벽들(1320a) 및 상기 인터커네트 본체(1310)의 하부면으로부터 돌출되고 상기 프레임(1300)의 가이드 돌기들(1130, 이하 설명의 편의를 위해 '프레임 가이드 돌기들'이라 함)과 마주보는 인터커넥터 가이드 돌기들(1330a, 1330b)을 포함할 수 있다. 한편, 상기 인터커넥터(1300)는 상기 인터커넥트 본체(1310)의 상부면 중 상기 프레임(1100)의 채널용 개구(도 1의 '111' 참조)에 대응하는 영역에 배치된 제2 채널격벽들(1320b)을 더 포함할 수 있다.
상기 인터커넥트 본체(1310)는 도전성 물질, 예를 들면, 금속 물질로 형성될 수 있고, 상기 프레임(1100)과 동일 또는 유사한 형상 및 크기의 테두리를 갖는 사각 플레이트를 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 채널격벽들(1320a)은 상기 인터커넥트 본체(1310)의 하부면으로부터 상기 프레임(1100) 방향으로 돌출되도록 형성되고, 제2 방향(X)으로 길게 연장되며, 제1 방향(Y)으로 서로 일정 간격 이격되게 배열되어 연료 또는 공기가 흐를 수 있는 채널을 형성할 수 있다. 상기 제2 채널격벽들(1320b)는 상기 인터커넥트 본체(1310)의 상부면으로부터 돌출되도록 형성되고 상기 제1 채널격벽들(1320a)과 교차하는 방향으로 길게 연장될 수 있고, 서로 일정한 간격으로 이격되도록 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 채널격벽들(1320a, 1320b)은 상기 인터커넥트 본체(1310)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 채널격벽들(1320a, 1320b)는 상기 인터커넥트 본체(1310)와 일체로 형성될 수 있다.
상기 인터커넥터 가이드 돌기들(1330a, 1330b)은 상기 인터커넥트 본체(1310)의 하부면으로로부터 돌출되도록 형성될 수 있다. 상기 인터커넥터 가이드 돌기들(1330a, 1330b)은 상기 프레임에 형성된 프레임 가이드 돌기들(도 1a의 '130a', '130b' 참조)과 마주보도록 위치하고, 상기 프레임 가이드 돌기들(도 1a의 '130a', '130b' 참조)과 동일한 구조 및 배열을 가지도록 상기 인터커넥트 본체(1310)의 하부면 상에 형성될 수 있다. 따라서, 상기 인터커넥터 가이드 돌기들(1330a, 1330b)에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
상기 복합기능 구조체들(1400)은 상기 프레임(1100)과 상기 인터커넥트(1300) 사이에 배치되고, 상기 프레임(1100)의 변형방지 지지체들(도 1a의 '120a' 및 '120b' 참조)과 함께 상기 프레임(1100)과 상기 인터커넥트(1300)에 인가되는 하중을 지지할 수 있다.
상기 복합기능 구조체들(1400)은 상기 프레임 본체(110)의 상부면 중 제1 유체이동 저면 영역(도 1a의 '110n1' 참조)과 이에 대응하는 상기 인터커넥트 본체(1310) 부분 사이에 배치된 제1 복합기능 구조체들(1400a) 및 상기 프레임 본체(110)의 상부면 중 제2 유체이동 저면 영역(도 1a의 '110n2' 참조)과 이에 대응하는 상기 인터커넥트 본체(1310) 부분 사이에 배치된 제2 복합기능 구조체들(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 제1 방향(Y)에 평행한 상기 프레임(1100) 및 인터커넥터(1300)의 중심선을 기준으로, 상기 제2 복합기능 구조체들은 상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)과 실질적으로 대칭되게 배치된다는 것을 제외하고는 상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)과 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)에 대해 주로 설명하고, 상기 제2 복합기능 구조체들에 대한 설명은 생략한다.
상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)은 다양한 형상의 단면을 갖는 기둥 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 복합기능 구조체들(1400a) 각각은 원형의 단면 형상을 갖는 원기둥 구조를 가질 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)의 높이는 상기 프레임(1100)의 변형방지 지지체들(1120)의 높이와 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)의 하부 단부 및 상부 단부는 상기 프레임 본체(1110)의 상부면 중 상기 제1 유체이동 저면 영역(도 1a의 '110n1' 참조) 및 이에 대응하는 상기 인터커넥트 본체(1310)의 하부면에 의해 각각 지지될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)의 하부 단부 부분은 상기 프레임(1100)의 프레임 가이드 돌기들(1130a) 사이의 공간에 삽입되어 그 측면이 상기 프레임 가이드 돌기들(1130a)에 의해 지지될 수 있고, 상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)의 상부 단부 부분은 상기 인터커넥터(1300)의 인터커넥터 가이드 돌기들(1330a) 사이의 공간에 삽입되어 그 측면이 상기 인터커넥터 가이드 돌기들(1330a)에 의해 지지될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1 복합기능 구조체들(1400a)은 상기 프레임 본체(1110) 상부면의 제1 유체이동 저면 영역(1110n1) 중 인접한 공급홀들(112a) 사이의 중앙 영역 상에 배치된 하나 이상의 센터 구조체(1400a1), 상기 제1 유체이동 저면 영역(1110n1) 중 상기 공급홀들의 우측 가장자리 영역 상에 배치된 제1 코너 구조체(1400a2) 및 상기 제1 유체이동 저면 영역(1110n1) 중 상기 공급홀들의 좌측 가장자리 영역 상에 배치된 제2 코너 구조체(1400a3)를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 프레임(1100)에 의해 지지되는 상기 연료전지 셀(1200)에 인가되는 하중 편차를 감소시키기 위하여, 상기 프레임 본체(1110)의 제1 가장자리로부터 상기 센터 구조체(1400a1)까지의 거리(D1)는 상기 프레임 본체(1110)의 제1 가장자리로부터 상기 제1 및 제2 코너 구조체(1400a2, 1400a3)까지의 거리(D2)보다 클 수 있다.
표 1은 복합기능 구조체의 위치에 따라 연료전지 셀 영역별 인가되는 하중을 측정한 결과이다. 표 1에 있어서, '복합기능 구조체의 위치' 값은 도 6의 제1 방향(X)에 평행한 기준선을 기준으로 측정된 복합기능 구조체들의 X축 방향의 상대적인 거리를 나타낸다. 예를 들면, '비교예'는 센터 구조체와 제1 및 제2 코너 구조체들을 상기 기준선 상에 배치한 경우이고, '실시예1 내지 실시예3'은 상기 비교예와 비교하여 센터 구조체는 '+X' 방향으로 표시 거리만큼 이동시키고 제1 및 제2 코너 구조체들은 '??X' 방향으로 표시 거리만큼 이동시킨 경우들이다.
도 6과 함께 표 1을 참조하면, 비교예에서는 연료전지 셀의 양쪽 코너 영역에 인가되는 하중과 이들 사이의 중간 영역에 인가되는 하중 사이의 편차가 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. 이에 반해, 실시예 1 내지 3에서는 상기 하중 편차가 크게 감소했음을 알 수 있다.
따라서, 센터 구조체를 연료전지 셀에 상대적으로 가깝게 위치시키고, 코너 구조체들을 연료전지 셀에서 상대적으로 멀게 위치시키는 경우, 상기 연료전지 셀의 각 부위에 인가되는 하중의 편차를 감소킬 수 있음을 알 수 있다.
표 1
하중(%) 복합기능 구조체 위치 연료전지 셀 영역별 하중 압력편차
제1 코너구조체 센터 구조체 제2 코너구조체 제1 코너 영역 중간 영역 제2 코너 영역
비교예 80 0 0 0 37.4 25.1 37.4 12.3
90 0 0 0 38.6 22.9 38.6 15.7
100 0 0 0 39.7 20.6 39.7 19.1
실시예1 80 -48 +15 -48 33.7 32.6 33.7 1.1
실시예2 90 -48 +17 -48 33.7 32.6 33.7 1.1
실시예3 100 -48 +19 -48 33.8 32.5 33.8 1.3
한편 이상에서는 상기 복합기능 구조체들(1400)이 상기 인터커넥터(1300)와 분리가능한 별도의 부재로 설명되었으나, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복합기능 구조체들(1400)은 상기 인터커넥터(1300)와 일체로 형성될 수도 있다. 이 경우, 상기 인터커넥터(1300)에는 상기 가이드 돌기들이 형성되지 않을 수 있다. 이와 같이, 상기 복합기능 구조체들(1400)을 상기 인터커넥터(1300)와 일체로 형성하는 경우, 상기 복합기능 구조체들(1400)의 단부가 상기 프레임(1100)의 가이드 돌기들(1130)에 의해 지지되므로, 연료전지 스택 구조물의 조립 과정이나 운전 과정에서 상기 인터커넥터(1300)가 상기 프레임(1100)에 대해 슬라이딩 이동하는 것을 방지할 수 있다.
상기 집전체(1500)는 상기 연료전지 셀(1200)과 상기 인터커넥터(1300) 사이에 배치되어 이들을 전기적으로 연결한다. 상기 집전체(1400)는 상기 프레임(1100)의 채널용 개구(1111) 내부에 배치될 수 있고, 도전성 물질, 예를 들면, 금속 물질로 형성될 수 있다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 집전체(1500)는 모서리 부분이 라운딩 처리된 사각형 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 집전체(1500)는 도 7a에 도시된 바와 같이 모서리 부분의 평면뿐만 아니라 단면까지 라운딩 처리될 수 있다. 상기 집전체(1500)의 모서리 부분을 라운드지게 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 상기 집전체(1500)는 일반적으로 금속 물질로 형성되므로, 제조 과정에서 모서리 부분에 대해 다른 부분들이 전체적으로 미세하게 돌출 또는 함몰되게 형성될 가능성이 높다. 이와 같은 집전판(1500)을 이용하는 경우, 상기 집전체(1500)에 의해 직접 가압되는 연료전지 셀(1200)의 전극층에 크랙이 발생할 가능성이 있다. 본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 상기 집전체(1500)의 모서리 부분을 평면 뿐만 아니라 단면까지 라운딩 처리할 수 있다.
한편, 도면에 도시되진 않았지만, 상기 연료전지 셀(1200)에 있어서도 전극층에 의해 노출되는 전해질층의 모서리 부분을 상기 집전체(1500)와 동일하게 라운딩 처리할 수도 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 프레임의 유체이동 저면 영역에 변형방지 지지체들을 형성함으로써 연료 또는 공기의 균일한 흐름을 유도할 수 있을 뿐만 아니라 유체이동 저면 영역과 상부 기준면 영역 사이의 높이차에 의해 발생할 수 있는 인터커넥터 등의 변형을 방지할 수 있고, 또한 하부 기준면 영역과 셀 지지 영역 사이의 두께차에 의해 발생될 수 있는 프레임 자체의 변형도 방지할 수 있다.
또한, 복합기능 구조체의 위치에 따라 연료전지 스택 구조물 내에서 연료전지 셀의 각 부위별 인가되는 하중에 편차가 발생하게 되는데, 본 발명에서는 프레임에 상기 복합기능 구조체를 지지하기 위한 가이드 돌기들을 앞에서 설명한 바에 따라 형성하고 상기 복합기능 구조체 중 센터 구조체를 연료전지 셀에 상대적으로 가깝게 배치시키고 코너 구조체들을 연료전지 셀로부터 상대적으로 멀게 배치시킴으로써 복합기능 구조체를 안정적으로 지지하면서도 연료전지 셀의 각 부위에 인가되는 하중의 편차를 감소시킬 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
[부호의 설명]
100, 1100 : 프레임 110 : 프레임 본체
120, 1120 : 변형방지 지지체 130, 1130 : 가이드 돌기
1000 : 연료전지 스택 구조물 1200 : 연료전지 셀
1300 : 인터커넥터 1310 : 인터커넥트 본체
1320 : 채널격벽 1400 : 복합기능 구조체
1500 : 집전체

Claims (12)

  1. 채널용 개구와 상기 채널용 개구를 사이에 두고 서로 이격된 공급 개구 및 배출 개구가 형성된 프레임 본체; 및
    상기 프레임 본체의 상부면 중 상기 채널용 개구와 상기 공급 개구 사이의 제1 영역 및 상기 채널용 개구와 상기 배출 개구 사이의 제2 영역으로부터 돌출되도록 형성되고, 장축과 단축을 갖는 타원형 단면 형상을 갖는 복수의 변형방지 지지체들을 포함하는 연료전지용 프레임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변형방지 지지체들의 장축은 상기 공급 개구로부터 상기 배출 개구를 향하는 제1 방향에 평행하고,
    상기 제1 영역에 형성된 변형방지 지지체들 및 상기 제2 영역에 형성된 변형방지 지지체들은 각각 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 일렬로 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프레임 본체의 상부면은 상부 기준면 영역 및 상기 기준면 영역에 비해 상기 프레임 본체 내부로 함몰되고 상기 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 유체이동 저면 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 변형방지 지지체들의 돌출 높이는 상기 상부 기준면 영역과 상기 유체이동 저면 영역의 높이차의 80% 이상 120% 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 프레임 본체의 하부면은 하부 기준면 영역 및 상기 채널용 개구의 가장자리를 따라 형성되고 상기 하부 기준면 영역에 비해 상기 프레임 본체 내부로 함몰된 셀 지지 영역을 구비하고,
    상기 변형방지 지지체들은 상기 하부 기준면 영역 상부에서 상기 셀 지지 영역 상부까지 연장되도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 유체이동 저면 영역으로부터 돌출되도록 형성되고, 격자 형태로 규칙적으로 배치된 가이드 돌기들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공급 개구는 서로 이격된 제1 공급홀 및 제2 공급홀을 포함하고,
    상기 제1 영역은 상기 제1 공급홀과 상기 채널용 개구 사이에 위치하는 제3 영역, 상기 제2 공급홀과 상기 채널용 개구 사이에 위치하는 제4 영역 및 상기 제3 영역과 상기 제4 영역 사이에 위치하여 상기 제1 공급홀과 상기 제2 공급홀의 사이 영역에 대응하는 제5 영역을 포함하고,
    상기 제1 영역에 형성된 상기 변형방지 지지체들은 상기 제3 영역과 상기 제4 영역에 형성되며,
    상기 가이드 돌기들 중 적어도 일부는 상기 제5 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 영역에 형성된 변형방지 지지체들 중 상기 제5 영역에 인접하게 배치된 적어도 일부는 나머지 변형방지 지지체들의 장축 방향에 비해 상기 제5 영역 방향으로 경사진 장축을 갖고,
    상기 제4 영역에 형성된 변형방지 지지체들 중 상기 제5 영역에 인접하게 배치된 적어도 일부는 나머지 변형방지 지지체들의 장축 방향에 비해 상기 제5 영역 방향으로 경사진 장축을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임.
  9. 전해질층, 상기 전해질층의 상부면과 하부면에 각각 형성된 상부 전극층 및 하부 전극층을 포함하는 연료전지 셀;
    상기 연료전지 셀의 상부에 배치된 프레임; 및
    상기 프레임의 상부에 배치된 인터커넥터를 포함하고,
    상기 프레임은,
    상기 상부 전극층을 노출시키는 채널용 개구 및 상기 채널용 개구를 사이에 두고 서로 이격된 공급 개구와 배출 개구가 형성된 프레임 본체;
    상기 프레임의 상부면 중 상기 채널용 개구와 상기 공급 개구 사이의 제1 영역 및 상기 채널용 개구와 상기 배출 개구 사이의 제2 영역으로부터 상기 인터커넥터 방향으로 돌출되도록 형성되고, 장축과 단축을 갖는 타원형 단면 형상을 갖는 복수의 변형방지 지지체들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조물.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프레임 본체와 이에 대응하는 상기 인터커넥터 부분 사이에 배치된 복합기능 구조체를 더 포함하고,
    상기 복합기능 구조체는 상부 기준면 영역 및 상기 기준면 영역에 비해 상기 프레임 본체 내부로 함몰되고 상기 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 유체이동 저면 영역을 구비하는 상기 프레임 본체의 상부면 중 상기 유체이동 저면 영역과 이에 대응하는 상기 인터커넥터 부분 사이에 배치되며,
    상기 프레임은 상기 프레임 본체의 상부면 중 상기 유체이동 저면 영역으로부터 상기 인터커넥터 방향으로 돌출되어 상기 복합기능 구조체의 측면을 지지하는 복수의 가이드 돌기들 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조물.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가이드 돌기의 높이는 상기 변형방지 지지체들의 높이보다 작거나 같고,
    상기 복합기능 구조체의 높이는 상기 변형방지 지지체들의 높이와 동일한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조물.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 채널용 개구에 삽입되고, 상기 인터커넥터와 상기 연료전지 셀의 상부 전극층을 전기적으로 연결하며, 모서리가 라운드진 사각 플레이트 구조의 집전체를 더 포함하고,
    상기 집전체 모서리의 측면 가장자리 부분은 라운드진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조물.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202018104628U1 (de) * 2018-08-10 2019-11-14 Reinz-Dichtungs-Gmbh Elektrochemisches System

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010027422A (ja) * 2008-07-22 2010-02-04 Toyota Motor Corp 枠状部材及び燃料電池
KR101162668B1 (ko) * 2010-12-28 2012-07-05 주식회사 포스코 고체산화물 연료전지
KR20130137784A (ko) * 2012-06-08 2013-12-18 주식회사 미코 연료 전지용 스택 구조물 및 그의 구성
KR20140087188A (ko) * 2012-12-28 2014-07-09 주식회사 미코 연료 전지용 스택 구조물
KR20150050449A (ko) * 2013-10-31 2015-05-08 주식회사 엘지화학 이차 전지용 프레임 및 이를 포함하는 배터리 모듈

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002058176A1 (fr) * 2001-01-19 2002-07-25 Sony Corporation Module d'electrode
JP2007103281A (ja) * 2005-10-07 2007-04-19 Toyota Motor Corp 燃料電池およびその製造方法
WO2010114556A1 (en) * 2009-04-03 2010-10-07 Utc Power Corporation Fuel cell and flow field plate with flow guides

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010027422A (ja) * 2008-07-22 2010-02-04 Toyota Motor Corp 枠状部材及び燃料電池
KR101162668B1 (ko) * 2010-12-28 2012-07-05 주식회사 포스코 고체산화물 연료전지
KR20130137784A (ko) * 2012-06-08 2013-12-18 주식회사 미코 연료 전지용 스택 구조물 및 그의 구성
KR20140087188A (ko) * 2012-12-28 2014-07-09 주식회사 미코 연료 전지용 스택 구조물
KR20150050449A (ko) * 2013-10-31 2015-05-08 주식회사 엘지화학 이차 전지용 프레임 및 이를 포함하는 배터리 모듈

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10784529B2 (en) 2020-09-22
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CN107949942A (zh) 2018-04-20

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