WO2019013483A1 - 연료전지 스택 - Google Patents

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WO2019013483A1
WO2019013483A1 PCT/KR2018/007481 KR2018007481W WO2019013483A1 WO 2019013483 A1 WO2019013483 A1 WO 2019013483A1 KR 2018007481 W KR2018007481 W KR 2018007481W WO 2019013483 A1 WO2019013483 A1 WO 2019013483A1
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WO
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fuel cell
cell stack
window frame
end plate
laminated structure
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PCT/KR2018/007481
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English (en)
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박상현
최광욱
임상혁
노태민
박광연
김대환
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주식회사 엘지화학
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell stack, and more particularly, to a fuel cell stack that prevents a sealing material having viscosity and fluidity from contacting and adhering with an alignment pin at a sealing temperature of a fuel cell by forming a prevention dam outside the alignment pin,
  • the pressure externally applied to the fuel cell stack can be uniformly applied to the fuel cell stack.
  • a fuel cell is a power generation system that converts the chemical reaction energy of hydrogen, oxygen, or air containing oxygen contained in a hydrocarbon-based material directly into electric energy.
  • a solid oxide fuel cell has a structure in which a plurality of electricity generating units each composed of a unit cell and a separator plate, which generate electricity through oxidation / reduction reaction of hydrogen and oxygen, are laminated.
  • the unit cell includes an electrolyte membrane, an anode (air electrode) located on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode (anode electrode) located on the other surface of the electrolyte membrane.
  • oxygen When oxygen is supplied to the anode and hydrogen is supplied to the cathode, oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen at the anode move to the cathode through the electrolyte membrane, and then water reacts with hydrogen supplied to the cathode. At this time, the electrons generated in the cathode are transferred to the anode and consumed, and electrons flow to the external circuit, and the unit cell generates electric energy by using the electron flow.
  • One unit cell and a separator located on both sides thereof constitute one unit cell.
  • Such a unit cell has an operating voltage of typically less than 1.0 V, which is insufficient for industrial application. Accordingly, the fuel cell stacks a plurality of unit cells so that the unit cells are electrically connected in series so as to increase the voltage.
  • the stack may be composed of one or more unit cells, an interconnect, a window frame, a spacer, and the like, and each structure may be combined by a fastening member. Then, the sealing material between the respective structures, that is, between the unit cell and the interconnect and the window frame is positioned, and the respective structures can be adhered. A constant pressure can be applied to the stack at the sealing temperature to bond each configuration.
  • the sealing material at the sealing temperature may have viscosity and fluidity so that when the conventional stack is subjected to pressure at the sealing temperature, the sealing material having fluidity can be pushed out of the lamination structure by external pressure and contacted and adhered to the fastening member . Therefore, in the conventional fuel cell stack, external pressure is not uniformly applied due to adhesion between the sealing member and the fastening member, and thus, the volume of the fuel cell stack becomes large, and output deterioration and breakage may occur.
  • the present inventors have developed a fuel cell stack capable of preventing the alignment pin and the sealing material from contacting and adhering at a sealing temperature in order to overcome the problems of the conventional fuel cell stack described above.
  • the present invention has been conceived in order to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell stack in which, when a pressure is applied to a fuel cell stack at a sealing temperature, Fuel cell stack.
  • a fuel cell stack includes an upper end plate; A lower end plate; A laminated structure in which one or more unit cells are stacked and positioned between the upper and lower end plates; An alignment pin connecting the upper end plate, the lower end plate, and the laminated structure; And a protection dam surrounding the outside of the client pin to prevent contact between the sealing member of the laminated structure and the client pin.
  • the unit cell comprises a unit cell; A window frame positioned on the side of the unit cell; An interconnect positioned above the window frame and below the unit cell; And a sealing material positioned and adhered between the unit cell, the window frame, and the interconnect; And a spacer positioned above the window frame to transmit a load to the sealing material, wherein a height of the prevention dam is equal to a height of the spacer.
  • the fuel cell stack is characterized in that at least one hole is formed at an edge of the upper end plate, the lower end plate, and the laminated structure, and the cross sectional area of the preventive dam is larger than the cross sectional area of the hole .
  • the prevention dam is characterized by being formed of a mica or an insulating ceramic.
  • the prevention dam is characterized by being formed of a metal material.
  • the prevention dam is characterized by being provided in a hollow column shape.
  • the prevention dam is formed in any one shape selected from the group formed by a curved section, a triangle, a rectangle, a pentagon, and a hexagon whose cross section and plane are circular, elliptical, do.
  • the present invention by laminating at least one hollow dam preventive dam outside the alignment pin, the effect of preventing contact and adhesion between the sealant having fluidity at the sealing temperature and the alignment pin is obtained.
  • the sealant and the alignment pin do not contact and adhere, when the fuel cell stack is compressed and adhered at the sealing temperature, the pressure is uniformly applied to the fuel cell stack to increase the airtightness of the fuel cell stack structure, An effect of preventing the output of the fuel cell from being deteriorated or damaged is generated.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line A-A 'shown in FIG. 1 and showing a part thereof.
  • FIG. 3 is a plan view showing a window frame and a protection dam according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 (a) is a plan view of a state where a protection dam is stacked on a hole of a window frame, And the frame and the protection dam are separated from each other.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A 'shown in FIG. 1
  • Fig. 3 (a) is a plan view of a window frame and a preventive dam according to an embodiment
  • Fig. 3 (b) is a plan view of the window frame and the prevention dam Fig.
  • the fuel cell stack according to the present invention may include an upper end plate 10, a lower end plate 20, a laminated structure 30, an alignment pin 40 and a protection dam 50.
  • the upper and lower end plates 10 and 20 can be positioned at the upper and lower portions of the lamination structure 30 to be described later so that a uniform pressure can be applied to the lamination structure 30.
  • the lower end plate 20 is formed with a fuel inlet and an air inlet for supplying fuel and air to the laminated structure 30 and a fuel outlet and an air outlet for discharging waste fuel and waste air that have not reacted with the laminated structure 30 .
  • a fuel inlet and an air inlet are formed in the upper end plate 10 and a fuel outlet and an air outlet are formed in the lower end plate 20.
  • the upper and lower end plates 20 and 30 may be formed with holes through which the alignment pins 40 described later are seated and the holes may be formed at one or more edges or corners of the upper and lower end plates 10 and 20 .
  • the laminate structure 30 may be positioned between the upper and lower end plates 10 and 20 and may be provided with one or more single cells (not shown).
  • the unit cell may include a unit cell 31, a window frame 32, a cathode electrode interconnect 33, an anode electrode interconnect 34, a sealing material 35, and a spacer 36.
  • the unit cell 31 is capable of generating electricity in the fuel cell stack, and is composed of an electrolyte having oxygen ion conductivity, and a fuel electrode and an air electrode on both sides thereof.
  • the fuel is supplied to the fuel electrode, the fuel is oxidized and the electrons are discharged through the external circuit.
  • oxygen supplied to the air electrode, electrons are received from the external circuit and reduced to oxygen ions.
  • the reduced oxygen ions migrate to the fuel electrode through the electrolyte and react with the oxidized fuel to produce water.
  • DC electricity is produced by the flow of electrons from the anode to the cathode.
  • the window frame 32 prevents oxygen and hydrogen introduced through the air electrode and the fuel electrode interconnects 33 and 34 from flowing into the unit cell 31 and prevents oxygen and hydrogen from mixing with each other during operation of the fuel cell stack do.
  • a flow path can be formed so that oxygen and hydrogen flowing through the air electrode and the fuel electrode interconnects 33 and 34 can flow inside the fuel cell stack.
  • the interconnects 33 and 34 can be divided into an air electrode interconnect 33 to which air is supplied and an anode electrode interconnect 34 to which fuel is supplied.
  • the interconnects 33 and 34 serve to electrically connect two or more unit cells 31 stacked And the two kinds of gas supplied to the fuel electrode and the air electrode are not mixed with each other and can be uniformly supplied to the unit cells 31.
  • the flow path formed in the cathode electrode interconnect 33 and the fuel electrode interconnect 34 may be formed on either the upper surface or the lower surface of the air electrode and the fuel electrode interconnects 33 and 34 as a convex-concave structure. It is also noted that the flow path formed in the cathode electrode interconnect 33 and the flow path formed in the fuel electrode interconnect 34 are formed in a vertical direction and are not in communication with each other.
  • the oxygen supplied through the air electrode interconnect 33 can be moved in the vertical direction of the air electrode
  • the fuel flow path is formed in the horizontal direction
  • the hydrogen supplied through the anode can be moved in the horizontal direction of the anode.
  • the interconnects 33 and 34 positioned between the unit cells 31 and the unit cells 31 in the fuel cell stack formed by stacking one or more unit cells 31 may serve as a separator.
  • the sealing material 35 may be located on at least one of the upper and lower portions of the window frame 32. More specifically, it may be located between the edge of the window frame 32 and the interconnects 33, 34 and between the inner bottom of the window frame 32 and the electrolyte. Therefore, the sealing material 35 can serve to bond the unit cell 31 to the window frame 32, and can also function as a buffering agent to mitigate the impact on the unit cell 31. [0044]
  • the sealing material 35 may be formed of any one of glass and crystallized glass, and has a property of being fluid at a high temperature.
  • the sealing material 35 may be provided in the form of a frame, such as the window frame 32, and may be positioned at the edge of the window frame 32.
  • the spacer 36 may be positioned above the flow path formed inside the window frame 32 and may transmit the external pressure applied to the fuel cell stack to the unit cell 31 and the window frame 32.
  • the height of the sealing material 35 positioned between the window frame 32 and the interconnects 33 and 34 can be adjusted. More specifically, the spacer 36 is provided at a position corresponding to the sealing material 35 positioned between the outside of the window frame 32 and the interconnects 33 and 34, and the height of the spacer 36 is higher than the height of the heat treatment And may be equal to or lower than the height of the rear sealing material 35.
  • the single cell according to the present invention may further include a current collector, but a detailed description thereof will be omitted since the conventional technique is used for the spacer and the current collector.
  • the alignment pins 40 may serve to align the upper and lower end plates 10 and 20 and the laminated structure 30. More specifically, one or more holes are provided at the edges or corners of the upper and lower end plates 10 and 20 and the laminated structure 30, and the alignment pins 40 are inserted into the holes to form the upper and lower end plates 10 20 and the laminated structure 30 can be aligned and fixed so as not to move vertically and horizontally.
  • the alignment pin 40 may be provided in a columnar shape, and its cross section and plane may be any shape selected from the group formed by a circle, an ellipse, a curved square shape processed with a curvature at a vertex, a triangle, a rectangle, Can be provided.
  • the height of the alignment pins 40 may be equal to or higher than the stacking height at which the upper and lower end plates 10 and 20 and the stacked structure 30 are stacked.
  • the nuts 41 may be further provided on the upper and lower portions of the alignment pin 40, respectively.
  • the nut 41 can prevent the alignment pin 40 from moving up and down.
  • the alignment pin 40 and the nut 41 can be threaded or fit together.
  • the prevention dam 50 is located outside the alignment pin 40 and may serve to prevent the sealing member 35 and the alignment pin 40 from contacting and adhering at the sealing temperature.
  • the prevention dam 50 can be stacked and spaced apart along the height direction of the alignment pin 40. At this time, the prevention dam 50 may be formed at a position corresponding to the spacer 36 in the laminated structure 30, and the height of the prevention dam 50 may be formed at the same height as the spacer 36.
  • the prevention dam 50 serves as the spacer 36 when the fuel cell stack is compressed at the sealing temperature when the height of the prevention dam 50 is formed higher than the spacer 36. [ That is, the sealing material 35 is not compressed to a height equal to or less than the height of the prevention dam 50, so that sealing may not be performed, and the height of the fuel cell stack may increase.
  • the sealing material 35 having fluidity at the sealing temperature can be prevented from reaching the alignment pin 40 A problem that can be brought into contact and adhesion may occur. More specifically, the sealing material 35, which has become fluid and viscous at the sealing temperature, may be caused to flow in a direction perpendicular to the pressure by the pressure applied to the interconnects 33 and 34 located above the sealing material 35 have. The sealing material 35 flowing in the direction perpendicular to the pressure can flow to the upper and lower portions of the low-level prevention dam 50 so that the prevention dam 50 can contact and adhere to the alignment pin 40 which is not provided. have.
  • the protection dam 50 is formed to have a larger cross sectional area than at least one hole formed in the upper and lower end plates 10 and 20 and the laminated structure 30 so that the gap between the window frame 32 and the inter connectors 33 and 34 Lt; / RTI >
  • the dam 50 may be provided in a hollow column shape, and its cross section and plane may be formed in any shape selected from the group consisting of a circle, an ellipse, a curvature square processed to have a curvature at a vertex, a triangle, It can be formed into one shape.
  • the cross-section and the plane of the prevention dam 50 may be the same or different from the cross-section and the plane of the alignment pin 40.
  • the alignment pin 40 is formed in a cylindrical shape
  • the prevention dam 50 can be provided in a hollow circular column shape.
  • the alignment pin 40 is formed in a square pillar shape
  • the prevention dam 50 may be provided in a hollow circular column shape. That is, the shape of the prevention dam 50 is not limited as long as it can accommodate the alignment pin 40.
  • the fuel cell stack according to the present invention is insulated by the electrolyte in the unit cell 31 between the unit cells 31 and the window frame 32 and between the interconnects 33 and 34, (36) and the cathode electrode interconnect (33) may be electrically connected. That is, when the fuel cell stack is insulated between the interconnects 33 and 34, no energized shape is generated. Therefore, the prevention dam 50 according to the present invention can be used both as an insulated and a non-insulated material.
  • the prevention dam 50 is preferably formed of an insulating material by being positioned between the window frame 32 and the inter connectors 33, 34 formed of a metal material. Therefore, it is noted that the prevention dam 50 is formed of either a mica or an insulating ceramic, or that the upper and lower portions of the prevention dam 50 are insulated when the prevention dam 50 is formed of a metal material.

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 얼라인먼트 핀 외측에 방지댐이 형성됨으로써, 연료전지의 실링 온도에서 점성 및 유동성을 갖는 실링재와 얼라인먼트 핀이 접촉 및 접착되는 것을 방지하여, 외부에서 가해지는 압력이 연료전지 스택에 고르게 인가될 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.

Description

연료전지 스택
본 명세서는 2017년 07월 13일 한국 특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2017-0088978호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 얼라인먼트 핀 외측에 방지댐이 형성됨으로써, 연료전지의 실링 온도에서 점성 및 유동성을 갖는 실링재와 얼라인먼트 핀이 접촉 및 접착되는 것을 방지하여, 외부에서 가해지는 압력이 연료전지 스택에 고르게 인가될 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
예를 들어, 고체 산화물 연료 전지는 수소와 산소의 산화/환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 단위 전지는 전해질막과, 전해질막의 일면에 위치하는 양극(공기극)과, 전해질막의 다른 일면에 위치하는 음극(연료극)을 포함한다.
이에 양극에 산소를 공급하고 음극에 수소를 공급하면, 양극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질막을 지나 음극으로 이동한 후 음극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 음극에서 생성된 전자가 양극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.
하나의 단위 전지와 이의 양쪽에 위치하는 분리판이 하나의 단위 셀을 구성한다. 이러한 단위 셀은 작동 전압이 통상적으로 1.0V 미만으로 공업적으로 응용하기에는 부족하다. 이에 연료 전지는 전압을 상승시킬 수 있도록 단위 셀을 전기적으로 직렬 연결이 되도록 복수로 적층하여 스택(stack)을 형성한다.
여기서, 스택은 하나 이상의 단위 셀, 인터커넥트, 윈도우 프레임 및 스페이서 등으로 구성될 수 있고, 각 구성은 체결부재에 의해 결합될 수 있다. 그리고, 각 구성 사이, 즉, 단위 셀과 인터커넥트 및 윈도우 프레임 사이 밀봉재가 위치되어 각 구성을 접착할 수 있다. 각 구성을 접착하기 위해 스택을 밀봉 온도에서 일정한 압력을 가할 수 있다.
밀봉 온도에서 밀봉재는 점성 및 유동성을 가질 수 있고, 따라서, 종래 스택은 밀봉 온도에서 압력이 가해졌을 때, 유동성을 갖는 밀봉재가 외부 압력에 의해 적층 구조체에서 밀려나와 체결부재와 접촉 및 접착될 수 있다. 따라서, 종래 연료전지 스택은 밀봉재와 체결부재의 접착에 의해 외부 압력이 고르게 인가되지 못하는 문제점이 발생되었고, 그에 따라 연료전지 스택의 부피가 커지고 출력 저하 및 파손이 발생할 수 있는 문제점이 발생되었다.
이에, 본 발명자는 상술한 종래의 연료전지 스택이 가지는 문제점을 해소하기 위하여, 실링 온도에서 얼라인먼트 핀과 실링재가 접촉 및 접착되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 스택을 개발하기에 이르렀다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 얼라인먼트 핀 외측에 방지댐이 형성됨으로써, 실링 온도에서 연료전지 스택에 압력을 가할 때, 실링재와 얼라인먼트 핀의 접촉 및 접착을 방지하는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 실링재와 얼라인먼트 핀이 접착되지 않음으로써, 연료전지 스택 외부에서 가해지는 압력이 연료전지 스택의 면을 따라 균일하게 인가되는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 상부 엔드 플레이트; 하부 엔드 플레이트; 상기 상부 및 하부 엔드 플레이트 사이 하나 이상의 단전지가 적층되어 위치되는 적층 구조체; 상기 상부 엔드 플레이트, 상기 하부 엔드 플레이트 및 상기 적층 구조체를 연결하는 얼라인먼트 핀(alignment pin); 및 상기 얼라이언트 핀 외부를 감싸 상기 적층 구조체의 실링재와 상기 얼라이언트 핀의 접촉을 방지하는 방지댐;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 단전지는, 단위셀; 상기 단위셀 측면에 위치되는 윈도우 프레임; 상기 윈도우 프레임 상부 및 상기 단위셀 하부에 위치되는 인터커넥트; 및 상기 단위셀, 상기 윈도우 프레임 및 상기 인터커넥트 사이에 위치되어 접착시켜주는 실링재; 상기 윈도우 프레임 상부에 위치되어 상기 실링재에 하중을 전달하는 스페이서;를 포함하고, 상기 방지댐의 높이는, 상기 스페이서의 높이와 동일한 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 스택은, 상기 상부 엔드 플레이트, 상기 하부 엔드 플레이트 및 상기 적층 구조체의 모서리에 하나 이상의 홀이 형성되고, 상기 방지댐의 단면적은, 상기 홀의 단면적보다 넓은 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 방지댐은, 마이카 혹은 절연 세라믹으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 방지댐은, 금속 소재로 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 방지댐은, 속이 빈 기둥 형태로 제공되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 방지댐은, 단면 및 평면이 원형, 타원형, 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률각형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형으로 형성된 군에서 선택된 어느 하나의 모양으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 얼라인먼트 핀 외측에 속이 빈 기둥 형태의 방지댐을 하나 이상 적층함으로써, 실링 온도에서 유동성을 가지는 실링재와 얼라인먼트 핀의 접촉 및 접착을 방지하는 효과가 발생하게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 실링재와 얼라인먼트 핀이 접촉 및 접착하지 않음으로써, 실링 온도에서 연료전지 스택을 압축하여 접착할 때, 연료전지 스택에 압력이 고르게 인가되어 연료전지 스택 구성의 기밀성이 증가, 연료전지의 출력 저하 및 파손을 방지하는 효과가 발생하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 A-A'선을 따라 절단하여 그 일부를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 윈도우 프레임 및 방지댐를 도시한 평면도로, 도 3(a)는 윈도우 프레임의 홀 상부에 방지댐이 적층된 상태의 평면도이고, 도 3(b)는 윈도우 프레임과 방지댐이 분리된 상태의 평면도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
<연료전지 스택>
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 A-A'선을 따라 절단하여 그 일부를 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 윈도우 프레임 및 방지댐를 도시한 평면도로, 도 3(a)는 윈도우 프레임의 홀 상부에 방지댐이 적층된 상태의 평면도이고, 도 3(b)는 윈도우 프레임과 방지댐이 분리된 상태의 평면도이다.
본 발명에 따른 연료전지 스택은 상부 엔드 플레이트(10), 하부 엔드 플레이트(20), 적층 구조체(30), 얼라인먼트 핀(40) 및 방지댐(50)을 포함할 수 있다.
상부 및 하부 엔드 플레이트(10, 20)는 후술되는 적층 구조체(30)의 상부 및 하부에 각각 위치되어, 적층 구조체(30)에 균일한 압력이 인가될 수 있도록 할 수 있다.
하부 엔드 플레이트(20)는 적층 구조체(30)에 연료 및 공기를 공급하는 연료 유입구 및 공기 유입구와 적층 구조체(30)와 반응하지 않은 폐 연료 및 폐 공기를 배출하는 연료 배출구 및 공기 배출구가 형성될 수 있다. 또는 상부 엔드 플레이트(10)에 연료 유입구 및 공기 유입구가 형성되고, 하부 엔드 플레이트(20)에 연료 배출구 및 공기 배출구가 형성될 수 있다.
그리고, 상부 및 하부 엔드 플레이트(20, 30)는 후술되는 얼라인먼트 핀(40)이 안착되는 홀이 형성될 수 있고, 홀은 상부 및 하부 엔드 플레이트(10, 20)의 가장자리 혹은 모서리에 하나 이상 형성될 수 있다.
나아가, 상부 및 하부 엔드 플레이트(10, 20)는 기존의 공지된 기술을 사용하기 때문에 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
적층 구조체(30)는 상부 및 하부 엔드 플레이트(10, 20) 사이에 위치될 수 있고, 하나 이상의 단전지(도시되지 않음)로 제공될 수 있다.
여기서, 단전지는 단위셀(31), 윈도우 프레임(32), 공기극 인터커넥트(33), 연료극 인터커넥트(34), 실링재(35) 및 스페이서(36)를 포함할 수 있다.
우선, 단위셀(31)은 연료전지 스택에 전기를 발생시키는 역할을 할 수 있고, 산소이온 전도성을 갖는 전해질과 그 양면의 연료극과 공기극으로 구성된다. 연료극에 연료를 공급해주면 연료가 산화되어 전자가 외부회로를 통하여 방출되고, 공기극에 산소를 공급해주면 외부회로로부터 전자를 받아서 산소이온으로 환원된다. 환원된 산소이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 산화된 연료와 반응하여 물을 생성한다. 이 때 연료극에서 공기극으로의 전자 흐름으로 직류 전기를 생산하게 된다.
윈도우 프레임(32)은 공기극 및 연료극 인터커넥트(33, 34)를 통해 유입되는 산소와 수소가 단위셀(31)로 유입되는 것을 방지하고, 연료전지 스택 작동 중 산소와 수소가 서로 섞이지 않도록 하는 역할을 한다. 또한, 공기극 및 연료극 인터커넥트(33, 34)를 통해 유입되는 산소와 수소가 연료전지 스택 내부에서 유동될 수 있게 유로가 형성될 수 있다.
인터커넥트(33, 34)는 공기가 공급되는 공기극 인터커넥트(33)와 연료가 공급되는 연료극 인터커넥트(34)로 나눠질 수 있다. 그리고, 본 발명에 따른 단위셀(31)이 두 개 이상 적층되어 형성되는 적층 구조체(30)에서, 인터커넥트(33, 34)는 적층된 두 개 이상의 단위셀(31)들을 전기적으로 연결해 주는 역할을 함과 동시에 연료극과 공기극에 공급되는 두 종류의 가스가 혼합되지 않고 단위셀(31)에 균일하게 공급될 수 있도록 유로가 형성될 수 있다.
공기극 인터커넥트(33) 및 연료극 인터커넥트(34)에 형성된 유로는 요철 구조로써 공기극 및 연료극 인터커넥트(33, 34) 상면 및 하면 중 어느 하나에 형성될 수 있다. 또한, 공기극 인터커넥트(33)에 형성된 유로와 연료극 인터커넥트(34)에 형성된 유로는 수직한 방향으로 형성되어 서로 연통되지 않는 것에 유의한다.
예를 들어, 공기 유로가 수직 방향으로 형성될 경우, 공기극 인터커넥트(33)를 통해 공급된 산소는 공기극의 수직 방향으로 이동될 수 있고, 연료 유로가 수평 방향으로 형성될 경우, 연료극 인터커넥트(34)를 통해 공급된 수소는 연료극의 수평 방향으로 이동될 수 있다.
단위셀(31)이 하나 이상 적층됨으로써 형성되는 연료전지 스택에서 단위셀(31)과 단위셀(31) 사이에 위치되는 인터커넥트(33, 34)는 분리판 역할을 할 수 있다.
실링재(35)는 윈도우 프레임(32) 상부 및 하부 중 어느 하나 이상에 위치될 수 있다. 좀 더 상세하게는, 윈도우 프레임(32)의 가장자리와 인터커넥트(33, 34) 사이 및 윈도우 프레임(32)의 안쪽 하부와 전해질 사이에 위치될 수 있다. 따라서, 실링재(35)는 단위셀(31)과 윈도우 프레임(32)을 접합시키는 역할을 할 수 있고, 단위셀(31)에 주어지는 충격을 완화하는 완충제로써 역할도 동시에 수행할 수 있다. 실링재(35)는 유리 및 결정화 유리 중 어느 하나로 형성될 수 있고, 고온에서 유동성을 가지는 성질을 가지고 있다. 또한, 실링재(35)는 윈도우 프레임(32)과 같이 프레임 형태로 제공될 수 있고, 윈도우 프레임(32)의 가장자리에 위치될 수 있다.
스페이서(36)는 윈도우 프레임(32)의 안쪽에 형성된 유로 상부에 위치되어, 연료전지 스택에 가해지는 외부 압력을 단위셀(31) 및 윈도우 프레임(32)에 전달하는 역할을 할 수 있다. 그리고, 윈도우 프레임(32)과 인터커넥트(33, 34) 사이 위치되는 실링재(35)의 높이를 조절할 수 있다. 좀 더 상세하게는, 스페이서(36)는 윈도우 프레임(32)의 바깥쪽과 인터커넥트(33, 34) 사이 위치되는 실링재(35)와 대응되는 위치에 제공되고, 스페이서(36)의 높이는 고온에서 열처리 후 실링재(35)의 높이와 동일하거나 더 낮게 형성될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 단전지는 집전체를 더 포함할 수 있으나, 스페이서 및 집전체는 기존의 공지된 기술을 사용하기 때문에 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
얼라인먼트 핀(40)은 상부 및 하부 엔드 플레이트(10, 20)와 적층 구조체(30)를 정렬하는 역할을 할 수 있다. 좀 더 상세하게는, 상부 및 하부 엔드 플레이트(10, 20)와 적층 구조체(30) 가장자리 혹은 모서리에 하나 이상의 홀이 제공되고, 홀에 얼라인먼트 핀(40)이 삽입되어 상부 및 하부 엔드 플레이트(10, 20)와 적층 구조체(30)를 정렬 및 상하좌우로 움직이지 않게 고정할 수 있다.
얼라인먼트 핀(40)은 기둥형상으로 제공될 수 있고, 그 단면 및 평면은 원형, 타원형, 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률각형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형으로 형성된 군에서 선택된 어느 하나의 모양으로 제공될 수 있다. 그리고, 얼라인먼트 핀(40)의 높이는 상부 및 하부 엔드 플레이트(10, 20)와 적층 구조체(30)가 적층된 적층 높이보다 같거나 높을 수 있다.
또한, 얼라인먼트 핀(40) 상부 및 하부 각각에 너트(41)가 더 제공될 수 있다. 너트(41)는 얼라인먼트 핀(40)이 상하로 이동되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다. 얼라인먼트 핀(40)과 너트(41)는 나사산 결합 혹은 끼움 결합될 수 있다.
방지댐(50)은 얼라인먼트 핀(40) 외측에 위치되어 실링 온도에서 실링재(35)와 얼라인먼트 핀(40)이 접촉 및 접착되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.
방지댐(50)은 얼라인먼트 핀(40)의 높이 방향을 따라 이격되어 적층될 수 있다. 이때, 방지댐(50)은 적층 구조체(30) 중 스페이서(36)와 대응되는 위치에 형성될 수 있고, 방지댐(50)의 높이는 스페이서(36)와 동일한 높이로 형성될 수 있다.
방지댐(50)의 높이가 스페이서(36)보다 높게 형성될 경우, 실링 온도에서 연료전지 스택을 압축할 때, 방지댐(50)이 스페이서(36)의 역할을 하게된다. 즉, 실링재(35)는 방지댐(50) 높이 이하로 압축되지 않아 실링이 이루어 지지 않고, 연료전지 스택의 높이가 높아지는 문제점이 발생할 수 있다.
그리고, 방지댐(50)의 높이가 스페이서(36)의 높이보다 낮게 형성될 경우, 실링 온도에서 유동성을 갖는 실링재(35)가 방지댐(50)의 상부 및 하부를 통해 얼라인먼트 핀(40)과 접촉 및 접착될 수 있는 문제점이 발생할 수 있다. 좀 더 상세하게는, 실링 온도에서 유동성 및 점성을 갖게된 실링재(35)가 실링재(35) 상부에 위치된 인터커넥트(33, 34)에 하중되는 압력에 의해 압력과 수직되는 방향으로 유동하게 될 수 있다. 압력과 수직되는 방향으로 유동된 실링재(35)는 높이가 낮은 방지댐(50)의 상부 및 하부로 유동되어 방지댐(50)이 제공되어 있지 않은 얼라인먼트 핀(40)에 접촉 및 접착하게 될 수 있다.
그리고, 방지댐(50)은 상부 및 하부 엔드 플레이트(10, 20)와 적층 구조체(30)에 형성된 하나 이상의 홀보다 단면적이 크게 형성되어, 윈도우 프레임(32)과 인터커넥터(33, 34) 사이에 위치될 수 있다.
또한, 방지댐(50)은 속이 빈 기둥 형태로 제공될 수 있고, 그 단면 및 평면은 원형, 타원형, 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률각형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형으로 형성된 군에서 선택된 어느 하나의 모양으로 형성될 수 있다. 그리고, 방지댐(50)의 단면 및 평면은 얼라인먼트 핀(40)의 단면 및 평면과 동일하거나 상이한 모양으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 얼라인먼트 핀(40)이 원기둥 형태로 형성되면, 방지댐(50)은 속이 빈 원 기둥 형태로 제공될 수 있다. 또는 얼라인먼트 핀(40)이 사각기둥 형태로 형성되면, 방지댐(50)은 속이 빈 원 기둥 형태로 제공될 수 있다. 즉, 방지댐(50)은 얼라인먼트 핀(40)을 수용할 수 있으면 그 형태는 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 연료전지 스택은 단위셀(31)과 윈도우 프레임(32)이 접촉되지 않고, 인터커넥트(33, 34) 사이 단위셀(31)의 전해질에 의해 절연 되기 때문에 윈도우 프레임(32), 스페이서(36) 및 공기극 인터커넥트(33)가 전기적으로 연결되어도 무방하다. 즉, 연료전지 스택은 인터커넥트(33, 34) 사이 절연되면 통전 형상이 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 방지댐(50)은 절연 및 비절연 재료 모두 사용할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 방지댐(50)은 금속 소재로 형성된 인터커넥터(33,34)와 윈도우 프레임(32) 사이에 위치됨으로써, 절연 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 방지댐(50)은 마이카 및 절연 세라믹 중 어느 하나로 형성되거나, 방지댐(50)이 금속 소재로 형성될 경우, 방지댐(50)의 상부 및 하부를 절연 코팅하는 것을 유의한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 상부 엔드 플레이트;
    하부 엔드 플레이트;
    상기 상부 및 하부 엔드 플레이트 사이 하나 이상의 단전지가 적층되어 위치되는 적층 구조체;
    상기 상부 엔드 플레이트, 상기 하부 엔드 플레이트 및 상기 적층 구조체를 연결하는 얼라인먼트 핀(alignment pin); 및
    상기 얼라이언트 핀 외부를 감싸 상기 적층 구조체의 실링재와 상기 얼라이언트 핀의 접촉을 방지하는 방지댐;을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단전지는,
    단위셀;
    상기 단위셀 상부에 위치되는 윈도우 프레임;
    상기 윈도우 프레임 상부 및 상기 단위셀 하부에 위치되는 인터커넥트;
    상기 단위셀, 상기 윈도우 프레임 및 상기 인터커넥트 사이에 위치되어 접착시켜주는 실링재; 및
    상기 윈도우 프레임 상부에 위치되어 상기 실링재에 하중을 전달하는 스페이서;를 포함하고,
    상기 방지댐의 높이는,
    상기 스페이서의 높이와 동일한 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택은,
    상기 상부 엔드 플레이트, 상기 하부 엔드 플레이트 및 상기 적층 구조체의 모서리에 하나 이상의 홀이 형성되고,
    상기 방지댐의 단면적은,
    상기 홀의 단면적보다 넓은 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방지댐은,
    마이카 혹은 절연 세라믹으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방지댐은,
    금속 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방지댐은,
    속이 빈 기둥 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 방지댐은,
    단면 및 평면이 원형, 타원형, 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률각형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형으로 형성된 군에서 선택된 어느 하나의 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
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