WO2019059424A1 - 고체산화물 연료전지 구조체 - Google Patents

고체산화물 연료전지 구조체 Download PDF

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WO2019059424A1
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air
fuel cell
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송상현
이민재
박진아
최성호
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주식회사 미코
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Definitions

  • the present invention relates to a solid oxide fuel cell structure, and more particularly, to a solid oxide fuel cell structure capable of stably sealing fuel and air.
  • Fuel cells that generate electricity through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen have recently been actively studied because of their environmentally friendly characteristics such as simple energy conversion steps and high efficiency and pollution-free power generators.
  • the solid oxide fuel cell (SOFC) among the fuel cells is a fuel cell that is operated at a high temperature of about 600 to 1000 ° C using ceramic as an electrolyte.
  • the fuel cell includes a molten carbonate fuel cell (MCFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC) , Polymer fuel cells (PEFC), etc., are the most efficient and pollution-free fuel cells, and have the merit of being capable of combined power generation without requiring a fuel reformer.
  • Fuel cell assembly includes a unit cell edges of the stacked plurality of fuel cells, the air including the fuel flow and the oxygen (O 2) to the fuel moves containing hydrogen (H 2) in the interior At least one fuel cell stack in which a moving air passage is formed;
  • a fuel supply pipe for supplying fuel to the fuel cell stack and a fuel discharge pipe for discharging fuel to the fuel cell stack are disposed at a lower portion of the fuel cell stack and support the fuel cell stack,
  • a support plate having a fourth fuel supply hole for connecting the first fuel discharge hole and a fourth fuel discharge hole for connecting the fuel discharge pipe and the outlet of the fuel flow passage;
  • a sealing member disposed between the fuel cell stack and the support plate and sealing a region between the fourth fuel supply hole and an inlet of the fuel flow passage and an area between the fourth fuel discharge hole and an outlet of the fuel flow passage, .
  • the support may further include a plurality of support legs protruding from a lower surface of the support plate to separate the support plate from the mounting surface, and the fuel supply pipe and the fuel discharge pipe may be connected to the support plate And can be coupled to the lower surface.
  • the fuel cell stack includes a plurality of plate-shaped single cells, a plurality of cell frames each supporting an edge of the unit cells, and a plurality of unit cells alternately arranged with the cell frames,
  • a unit cell stack structure including a plurality of connecting members to be connected;
  • An upper end plate disposed on the upper portion of the unit cell laminate structure;
  • a lower end plate disposed at a lower portion of the unit cell laminated structure and facing the support plate, wherein the lower end plate has a third fuel supply hole for forming an inlet of the fuel flow passage,
  • the sealing member is disposed between the support plate and the lower end plate, and the region between the third fuel supply hole and the fourth fuel supply hole and the third fuel supply hole, 3 fuel discharge hole and the fourth fuel discharge hole.
  • the sealing member may include an annular metal gasket disposed to surround an upper end of at least one of the fourth fuel supply hole and the fourth fuel discharge hole, and at least the at least one And an annular inner high temperature sealing material disposed to surround an upper end of one of the holes and an external high temperature sealing material, wherein one of the upper surface of the supporting plate and the lower surface of the lower end plate presses the metal gasket And a gasket insertion groove into which the metal gasket pressed by the pressing projection is inserted may be formed in the other.
  • the upper surface of the support plate and the lower surface of the lower end plate are formed in a ring shape on the inner and outer sides of the gasket insertion groove on the surface where the gasket insertion grooves are formed, respectively.
  • An inner insertion groove and an outer insertion groove into which the end portions of the sealing member are respectively inserted may be formed.
  • the metal gasket is formed of a metal material containing iron-chromium, and each of the inner and outer high temperature sealing materials may be formed of a glass material or a composite material of glass and ceramics.
  • the metal gasket may include a ring-shaped metal plate having a central portion bent, and the pressing projection may have an annular shape whose width decreases toward the upper portion, And may have a ring shape whose width decreases toward the inside corresponding to the shape of the pressing projection.
  • the metal gasket may include first and second metal gaskets arranged to surround upper end portions of the fourth fuel supply hole and the fourth fuel discharge hole, respectively, and the inner high temperature seal material
  • the first and second metal gaskets may include first and second internal high-temperature seals disposed in the first and second metal gaskets, respectively, and the external high-temperature seal material may include first and second metal gaskets, 1 and a second external high-temperature seal material.
  • the support plate further includes an air supply pipe for supplying air to the fuel cell stack and an air discharge pipe for discharging air to the fuel cell stack, and the air supply pipe is connected to the inlet of the air flow passage
  • a third air discharge hole may be formed to form an outlet of the air flow passage
  • the sealing member may have a region between the fourth air supply hole and the third air supply hole, and a region between the fourth fuel discharge hole and the third air The area between the discharge holes can be further sealed.
  • the metal gasket may further include third and fourth metal gaskets arranged to surround upper ends of the fourth air supply hole and the fourth air discharge hole, respectively, and the inner high temperature seal material May further include third and fourth internal high-temperature seals disposed in the third and fourth metal gaskets, respectively, and the external high-temperature seal material is disposed so as to surround the third and fourth metal gaskets, respectively And the third and fourth external hot sealing materials.
  • the sealing member includes the metal gasket together with the high-temperature sealing material, the airtightness of the fuel and the air can be stably ensured even when the application area of the high- The application area of the high-temperature seal material can be reduced, and as a result, the fuel cell stack can be easily detached from the support at room temperature.
  • the sealing member includes a metal gasket together with a high-temperature sealing material, and the metal gasket is provided on the fuel cell stack,
  • the fuel and the air can be stably sealed even at a relatively low temperature below the melting temperature of the high-temperature sealing material, because the sealing member is deformed by the compressive force applied when the support is fastened.
  • the first and second high temperature sealing materials are disposed inside and outside the metal gasket to prevent the metal gasket from being exposed to the external oxygen-containing gas, thereby preventing the metal gasket from being oxidized.
  • the installation process of the fuel cell structure can be simplified, It is possible to stably seal the fuel and the air by arranging the sealing member between the cell stacks.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a fuel cell structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the fuel cell stack shown in FIG.
  • FIG. 3 and 4 are a partial plan view and a partial cross-sectional view for explaining the sealing member shown in Fig.
  • first, second, etc. 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.
  • first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
  • FIG. 1 is a perspective view for explaining a fuel cell structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a sectional view for explaining the fuel cell stack shown in FIG. 1
  • FIGS. 3 and 4 are cross- A partial plan view and a partial cross-sectional view for explaining a member.
  • a fuel cell structure 1000 may include at least one fuel cell stack 1100, a support 1200, and a sealing member 1300.
  • the fuel cell stack 1100 may include a plurality of stacked fuel cell unit cells, and a fuel passage in which fuel containing hydrogen (H 2 ) moves and air containing oxygen (O 2 ) An air flow path can be formed.
  • the fuel cell stack 1100 may include a unit cell laminate structure 1110, an upper end plate 1120, and a lower end plate 1130.
  • the unit cell stack structure 1110 includes a plurality of unit cells 1111, a plurality of cell frames 1112 for supporting the edges of the unit cells 1111, And may include a plurality of connecting members 1113 that connect to each other.
  • the unit cell laminate structure 1110 may have a structure in which the cell frames 1112 and the connection members 1113 on which the plurality of unit cells 1111 are supported are alternately stacked.
  • Each of the unit cells 1111 may be a flat type single cell of a fuel cell.
  • each of the unit cells 1111 may be a flat plate type battery such as a solid oxide fuel cell (SOFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC) Lt; / RTI >
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • PAFC phosphoric acid fuel cell
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • each of the unit cells 1111 when the unit cells 1111 are flat plate-type single cells of a solid oxide fuel cell, each of the unit cells 1111 includes a first electrode, a second electrode, and a solid oxide electrolyte disposed therebetween .
  • One of the first electrode and the second electrode may be an anode to which the fuel is supplied and the other may be a cathode to which the air is supplied.
  • each of the unit cells 1111 can generate electrical energy using the electrons generated through the reaction as described above.
  • each of the cell frames 1112 supports edge portions of the unit cells 1111 to improve the assemblability and durability of the fuel cell stack 1100.
  • each of the cell frames 1112 includes a rectangular frame-shaped frame structure 11 having a center opening 112 for exposing one of the first and second electrodes of the supported unit cell 1111
  • a first fuel supply hole 112-1a and a first fuel discharge hole 112-1b are formed so as to be spaced apart from each other with the channel opening 112 interposed therebetween
  • a first air supply hole 112-2a and a first air discharge hole 112-2b may be formed so as to be spaced apart from each other with a space therebetween.
  • the first fuel supply hole 112-1a and the first air supply hole 112-2a may be formed adjacent to the same corner of the cell frame 1112, It is possible.
  • connection members 1113 may electrically connect the unit cells 1111 to each other and may transfer electric energy generated by the unit cells 1111 to the outside.
  • the connection members 1113 may be formed of a conductive ceramic or a metal material.
  • the coupling members 1113 may be made of LaCrO 3 having a perovskite structure Series ceramic material or an iron (Fe) -chromium (Cr) series metal material.
  • Each of the connecting members 1113 may have a rectangular plate structure having a rim of the same shape as the cell frame 1112 and each of the connecting members 1113 may be provided with a first fuel supply hole And the second fuel supply hole 113-b that communicates with the first fuel discharge hole 112-1a, the first fuel discharge hole 112-1b, the first air supply hole 112-2a, and the first air discharge hole 112-2b, 1a, a second fuel discharge hole 113-1b, a second air supply hole 113-2a, and a second air discharge hole 113-2b.
  • the connecting members 1113 may include a first connecting member 1113A disposed between the upper end plate 1120 and the uppermost unit cell of the unit cells 1111, Second connecting members 1113B and a third connecting member 1113C disposed between the lower end plate 1130 and the lowermost unit cell of the unit cells 1111.
  • the second connecting members 1113B may electrically connect the unit cells 1111 to each other and the first connecting member 1113A and the third connecting member 1113C may electrically connect the unit cells 1111, Energy can be transferred to an external circuit.
  • the second fuel supply hole 113-1a, the second fuel discharge hole 113-1b, the second air supply hole 113-2a, and the second air discharge hole 113-1b are formed in the first connector 1113A, 113-2b may not be formed.
  • the upper end plate 1120 and the lower end plate 1130 may be respectively disposed on upper and lower portions of the unit cell stack structure 1110 so that a uniform pressure may be applied to the unit cell stack structure 1110 .
  • the second fuel supply hole 113-1a and the second fuel discharge hole 113-a formed in the third connection member 1113C of the connection members 1113 are formed in the lower end plate 1130, A third fuel supply hole 130-1a, a third fuel discharge hole 130-1b, and a third fuel supply hole 130-1b that communicate with the first air supply hole 113a, the second air supply hole 113b, the second air supply hole 113b, and the second air discharge hole 113-2b, The third air supply hole 130-2a and the third air discharge hole 130-2b may be formed.
  • the first to third fuel supply holes 112-1a, 113-1a, and 130-1a and the first to third fuel discharge holes 112-1b, 113-1b, and 130-1b, And the first to third air supply holes 112-2a, 113-2a, and 130-2a and the first to third air discharge holes 112-2b, 113-2b, and 130- 2b can form the air flow path.
  • the support 1200 may be disposed below and support the at least one fuel cell stack 1100.
  • the support 1200 is connected to an external fuel supply unit (not shown) to supply fuel to the fuel cell stack 1100 and a fuel supply pipe 1410 to which the fuel discharged from the fuel cell stack 1100 flows
  • a discharge pipe 1420 can be connected.
  • the support 1200 includes an air supply pipe 1430 connected to an external air supply unit (not shown) to supply air to the fuel cell stack 1100 and an air supply pipe 1430 through which air discharged from the fuel cell stack 1100 moves
  • the air discharge pipe 1440 may be additionally connected.
  • the supporter 1200 may include the third fuel supply hole 130-1a, the third fuel discharge hole 130-1b, the third air supply hole 130-2a
  • the fourth fuel supply hole 210-1a, the fourth fuel discharge hole 210-1b, the fourth air supply hole 210-2a, and the fourth fuel supply hole 210-2b, which communicate with the third air discharge hole 130-2b, respectively, 4 air discharge hole 210-2b may be formed and the fuel supply pipe 1410, the fuel discharge pipe 1420, the air supply pipe 1430 and the air discharge pipe 1440 may be formed in the fourth fuel supply hole
  • the support 1200 may include a support plate 1210 for directly supporting the fuel cell stack 1100 and a support plate 1210 protruded from a lower surface of the support plate 1210, And a plurality of support legs 1220 that are spaced apart from one another.
  • the fourth fuel supply hole 210-1a, the fourth fuel discharge hole 210-1b, the fourth air supply hole 210-2a, and the fourth air discharge hole 210-2b The fuel supply pipe 1410, the fuel discharge pipe 1420, the air supply pipe 1430 and the air discharge pipe 1440 may be formed on the lower surface of the support plate 1210, The fourth fuel discharge hole 210-1a, the fourth fuel discharge hole 210-1b, the fourth air supply hole 210-2a, and the fourth air discharge hole 210-2b, respectively.
  • the structure and shape of the support legs 1220 are not particularly limited as long as the support legs 1220 can stably support the support plate 1210 in a state of being separated from the mounting surface.
  • the sealing member 1300 is disposed between the support 1200 and the fuel cell stack 1100 and the fourth fuel supply hole 210-1a, the fourth fuel discharge hole 210-1b, The third fuel supply hole 130-1a of the lower end plate 1130 communicating with the fourth air supply hole 210-2a and the fourth air discharge hole 210-2b, The area between the holes 130-1b, the third air supply holes 130-2a and the third air discharge holes 130-2b is sealed so that the fuel between the support 1200 and the fuel cell stack 1100 Or air can be prevented from leaking.
  • the sealing member 1300 includes the fourth fuel supply hole 210-1a, the fourth fuel discharge hole 210-1b, and the fourth fuel supply hole 210-1b between the upper surface of the support and the lower surface of the lower end plate.
  • An annular metal gasket 1310 arranged to surround the upper end of at least one of the fourth air supply hole 210-2a and the fourth air discharge hole 210-2b,
  • An annular inner high-temperature seal material 1320 and an external high-temperature seal material 1330 disposed to surround the upper end of the hole.
  • the metal gasket 1310 may be formed of a relatively stable metal material even at a high temperature.
  • the metal gasket 1310 may be formed of a metal material containing iron-chromium.
  • the inner and outer high temperature sealing materials 1320 and 1330 may be formed of a glass material, a composite material of glass and ceramics, or the like, and may have a flat upper surface and a lower surface.
  • a closed curve surrounding the hole is formed in one of the upper surface of the support plate 1210 and the lower surface of the lower end plate 1130 under the metal gasket 1310, (1112a, 1210b, 1210c, 1210d), and the other of the gasket insertion grooves (11-1a, 11-1b, 11-11d) may be formed with the pressurizing protrusion and at least a part of the metal gasket disposed on the surface thereof, 2a, and 11-2b) may be formed.
  • the pressing protrusions 1210a, 1210b, 1210c, and 1210d may be formed below the metal gasket 1310 in the upper surface of the support plate 1210, And the gasket insertion grooves 11-1a, 11-1b, 11-2a, and 11-2b may be formed on the lower surface.
  • the pressing protrusion may have a shape decreasing in width from the upper surface of the support plate 1210 to the upper surface.
  • the gasket insertion groove may have a shape corresponding to the shape of the pressing protrusion, The width may be reduced as it is deepened inward.
  • the lower end plate 1130 is spaced from the lower surface of the lower end plate 1130 with the gasket insertion groove interposed therebetween, so that at least a part of the internal high temperature sealing material 1320 and the external high temperature sealing material 1330 are inserted
  • the inner insertion grooves 12-1a, 12-1b, 12-2a, and 12-2b, and the outer insertion grooves 13-1a, 13-1b, 13-2a, and 13-2b may be additionally formed.
  • the metal gasket 1310 may include the fourth fuel supply hole 210-1a, the fourth fuel discharge hole 210-1b, the fourth air supply hole 210-2a, 1310b, 1310c, 1310d arranged to surround the upper end of the hole 210-2b, respectively, and the internal high-temperature seal material 1320 may include first to fourth metal gaskets 1310a, 1310b, 1310c, 1320b, 1320c, and 1320d disposed in the interior of the fourth metal gaskets 1310a, 1310b, 1310c, and 1310d, respectively, and the external high-temperature seal material 1330 1330b, 1330c, and 1330d disposed to surround the first to fourth metal gaskets 1310a, 1310b, 1310c, and 1310d, respectively.
  • the first to fourth metal gaskets 1310a, 1310b, 1310c and 1301d have a structure in which a center portion is bent in correspondence with the shapes of the first to fourth pressing protrusions 1210a, 1210b, 1210c and 1210d.
  • 1330b, 1330c, and 1330d and the first to fourth external hot sealing materials 1330a, 1330b, 1330c, and 1330d may have a predetermined height and width, respectively, Lt; / RTI >
  • the first to fourth pressing protrusions 1210a, 1210b, 1210c, and 1210d may be formed to form a closed curve surrounding the discharge hole 210-2b, respectively,
  • a first inner insertion groove 12-1a and a first outer insertion groove 13-1a are formed on the lower surface of the lower end plate 1130 with the first gasket insertion groove 11-1a interposed therebetween.
  • the third inner insertion groove 12-2a and the third outer insertion groove 13-3a and the fourth gasket insertion groove 11-2b are spaced apart from each other with a space therebetween,
  • the fourth inner insertion groove 12-2b and the fourth outer insertion groove 13-2b may be additionally formed.
  • the structure it is possible to simplify the process of installing the fuel cell structure by connecting the fuel supply / discharge pipe and the air supply / discharge pipe to a support capable of supporting at least one fuel cell stack, not the fuel cell stack, It is possible to stably seal the fuel and the air by disposing the sealing member between the fuel cell stacks.
  • the sealing member includes the metal gasket together with the high-temperature sealing material, the airtightness of the fuel and the air can be stably ensured even if the application area of the high-temperature sealing material is reduced.
  • the application area of the sealing material can be reduced, and as a result, the fuel cell stack can be easily detached from the support at room temperature.
  • the sealing member includes a metal gasket together with a high-temperature sealing material, and the metal gasket is provided on the fuel cell stack,
  • the fuel and the air can be stably sealed even at a relatively low temperature below the melting temperature of the high-temperature sealing material, because the sealing member is deformed by the compressive force applied when the support is fastened.
  • the first and second high temperature sealing materials are disposed inside and outside the metal gasket to prevent the metal gasket from being exposed to the external oxygen-containing gas, thereby preventing the metal gasket from being oxidized.
  • Fuel cell structure 1100 Fuel cell stack
  • sealing member 1310 metal gasket

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Abstract

연료전지 구조체가 개시된다. 연료전지 구조체는 적층된 복수의 단전지들을 포함하고, 내부에 연료 유로 및 공기 유로가 형성된 하나 이상의 연료전지 스택; 연료전지 스택의 하부에 배치되어 이를 지지하고 연료 공급관 및 연료 배출관이 결합되며, 연료 공급관과 연료 유로의 입구를 연결하는 제4 연료 공급홀 및 연료 배출관과 연료 유로의 출구를 연결하는 제4 연료 배출홀이 형성된 지지 플레이트를 포함하는 지지체; 및 연료전지 스택과 지지 플레이트 사이에 배치되고, 제4 연료 공급홀과 연료 유로의 입구 사이의 영역 및 제4 연료 배출홀과 연료 유로의 출구 사이의 영역을 밀봉하는 밀봉 부재를 구비한다.

Description

고체산화물 연료전지 구조체
본 발명은 고체산화물 연료전지 구조체에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 연료 및 공기를 안정적으로 밀봉할 수 있는 고체산화물 연료전지 구조체에 관한 것이다.
수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생성하는 연료 전지는 에너지 전환단계가 간단하고 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 연료전지로서, 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 고체산화물 연료전지 구조체에서는 연료전지 스택을 구성하는 엔드 플레이트나 매니폴더에 연료 및 공기의 공급 배관들과 배출배관들을 직접 연결하고, 고온에서도 안정적으로 연료 및 공기를 밀봉하기 위해 글라스 재질의 밀봉부재가 주로 사용된다.
하지만, 연료 및 공기의 공급 배관들과 배출 배관들을 연료전지 스택에 직접 연결하는 경우, 연료전지 스택을 설치 위치에 배치한 후 상기 연료 및 공기의 공급 배관들과 배출 배관들을 연결하므로, 설치 작업에 많은 시간이 소요되고 공간적 제약에 따라 설치 작업이 용이하지 않은 문제점이 발생한다.
한편, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 상기 연료 및 공기의 공급 배관들과 배출 배관들을 연료전지 스택이 아닌 다른 구성요소에 연결하는 경우, 연료전지 스택과 상기 다른 구성요소 사이의 연료 및 공기의 밀봉 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은 고체산화물 연료전지 구조체의 설치 및 교체가 용이하고 연료 및 공기를 안정적으로 밀봉할 수 있는 고체산화물 연료전지 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 구조체는 적층된 복수의 연료전지 단전지들을 포함하고, 내부에 수소(H2)를 포함하는 연료가 이동하는 연료 유로 및 산소(O2)를 포함하는 공기가 이동하는 공기 유로가 형성된 하나 이상의 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택의 하부에 배치되어 이를 지지하고, 상기 연료전지 스택에 연료를 공급하는 연료 공급관 및 상기 연료전지 스택으로 연료를 배출하는 연료 배출관이 결합되며, 상기 연료 공급관과 상기 연료 유로의 입구를 연결하는 제4 연료 공급홀 및 상기 연료 배출관과 상기 연료 유로의 출구를 연결하는 제4 연료 배출홀이 형성된 지지 플레이트를 포함하는 지지체; 및 상기 연료전지 스택과 상기 지지 플레이트 사이에 배치되고, 상기 제4 연료 공급홀과 상기 연료 유로의 입구 사이의 영역 및 상기 제4 연료 배출홀과 상기 연료 유로의 출구 사이의 영역을 밀봉하는 밀봉 부재를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 지지체는 상기 지지 플레이트의 하부면으로부터 돌출되어 상기 지지 플레이트를 설치면으로부터 이격시키는 복수의 지지 다리들을 더 포함할 수 있고, 상기 연료 공급관 및 상기 연료 배출관은 상기 지지 플레이트의 하부면에 결합될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 스택은 복수의 평판형 단전지들, 상기 단전지들의 가장 자리를 각각 지지하는 복수의 셀프레임들, 상기 셀프레임들과 교대로 배치되어 상기 단전지들을 전기적으로 연결하는 복수의 연결재들을 포함하는 단전지 적층 구조체; 상기 단전지 적층 구조체의 상부에 배치된 상부 엔드 플레이트; 및 상기 단전지 적층 구조체의 하부에 배치되고, 상기 지지 플레이트와 마주보는 하부 엔드 플레이트를 포함할 수 있고, 상기 하부 엔드 플레이트에는 상기 연료 유로의 입구를 형성하는 제3 연료 공급홀 및 상기 연료 유로의 출구를 형성하는 제3 연료 배출홀이 형성될 수 있으며, 상기 밀봉 부재는 상기 지지 플레이트와 상기 하부 엔드 플레이트 사이에 배치되어 상기 제3 연료 공급홀과 상기 제4 연료 공급홀 사이의 영역 및 상기 제3 연료 배출홀과 상기 제4 연료 배출홀 사이의 영역을 밀봉할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 밀봉 부재는 상기 제4 연료 공급홀 및 상기 제4 연료 배출홀 중 적어도 하나의 홀의 상부 단부를 둘러싸도록 배치된 고리 형상의 금속 개스킷 그리고 상기 금속 개스킷을 사이에 두고 상기 적어도 하나의 홀의 상부 단부를 둘러싸도록 배치된 고리 형상의 내부 고온용 밀봉재 및 외부 고온용 밀봉재를 포함할 수 있고, 상기 지지 플레이트의 상부면 및 상기 하부 엔드 플레이트의 하부면 중 하나에는 상기 금속 개스킷을 가압하는 가압 돌출부가 형성되고, 나머지 하나에는 상기 가압 돌출부에 의해 가압된 상기 금속 개스킷이 삽입되는 개스킷 삽입홈이 형성될 수 있다. 또한, 상기 지지 플레이트의 상부면 및 상기 하부 엔드 플레이트의 하부면 중 상기 개스킷 삽입홈이 형성된 면에는 상기 개스킷 삽입홈의 내부 및 외부에 각각 고리 형상으로 형성되고, 상기 내부 고온용 밀봉재 및 상기 외부 고온용 밀봉재의 단부가 각각 삽입되는 내부 삽입홈 및 외부 삽입홈이 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속 개스킷은 철-크롬을 함유하는 금속 재료로 형성되고, 상기 내부 및 외부 고온용 밀봉재 각각은 글라스 재료 또는 글라스와 세라믹의 복합체 재료로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속 개스킷은 가운데 부분이 절곡된 고리 형상의 금속 플레이트를 포함할 수 있고, 상기 가압 돌출부는 상부로 갈수록 폭이 감소하는 고리 형상을 가질 수 있으며, 상기 개스킷 삽입홈은 상기 가압 돌출부의 형상에 대응하여 내부로 갈수록 폭이 감소하는 고리 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속 개스킷은 상기 제4 연료 공급홀 및 상기 제4 연료 배출홀의 상부 단부들을 각각 둘러싸도록 배치된 제1 및 제2 금속 개스킷을 포함할 수 있고, 상기 내부 고온용 밀봉재는 상기 제1 및 제2 금속 개스킷의 내부에 각각 배치된 제1 및 제2 내부 고온용 밀봉재를 포함할 수 있으며, 상기 외부 고온용 밀봉재는 상기 제1 및 제2 금속 개스킷을 각각 둘러싸도록 배치된 제1 및 제2 외부 고온용 밀봉재를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 지지 플레이트에는 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기 공급관 및 상기 연료전지 스택으로 공기를 배출하는 공기 배출관이 추가로 결합되고, 상기 공기 공급관과 상기 공기 유로의 입구를 연결하는 제4 공기 공급홀 및 상기 공기 배출관과 상기 공기 유로의 출구를 연결하는 제4 공기 배출홀이 형성될 수 있으며, 상기 하부 엔드 플레이트에는 상기 공기 유로의 입구를 형성하는 제3 공기 공급홀 및 상기 공기 유로의 출구를 형성하는 제3 공기 배출홀이 형성될 수 있으며, 상기 밀봉 부재는 상기 제4 공기 공급홀과 상기 제3 공기 공급홀 사이의 영역 및 상기 제4 연료 배출홀과 상기 제3 공기 배출홀 사이의 영역을 추가로 밀봉할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속 개스킷은 상기 제4 공기 공급홀 및 상기 제4 공기 배출홀의 상부 단부들을 각각 둘러싸도록 배치된 제3 및 제4 금속 개스킷을 더 포함할 수 있고, 상기 내부 고온용 밀봉재는 상기 제3 및 제4 금속 개스킷의 내부에 각각 배치된 제3 및 제4 내부 고온용 밀봉재를 더 포함할 수 있으며, 상기 외부 고온용 밀봉재는 상기 제3 및 제4 금속 개스킷을 각각 둘러싸도록 배치된 제3 및 제4 외부 고온용 밀봉재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 고체산화물 연료전지 구조체에 따르면, 상기 밀봉 부재가 고온용 밀봉재와 함께 금속 개스킷을 포함하므로, 고온용 밀봉재의 도포 면적을 감소시키더라도 안정적으로 연료 및 공기의 기밀성을 확보할 수 있으므로, 상기 고온용 밀봉재의 도포 면적을 감소시킬 수 있고, 그 결과 상온에서 상기 연료전지 스택을 상기 지지체로부터 용이하게 탈부착될 수 있다.
또한, 유리는 고온용 밀봉재로써 저온에서는 기밀성이 저하되는 문제점이 있는데, 본 발명의 연료전지 구조체에 있어서는 상기 밀봉 부재가 고온용 밀봉재와 함께 금속 개스킷을 포함하고, 상기 금속 개스킷은 상기 연료전지 스택과 상기 지지체의 체결시 인가되는 압축력에 의해 변형되어 밀봉재로서 기능하므로, 고온용 밀봉재의 용융 온도 미만의 상대적으로 저온에서도 연료 및 공기를 안정적으로 밀봉할 수 있다. 그리고 제1 및 제2 고온용 밀봉재가 상기 금속 개스킷의 내부 및 외부에 배치되어 상기 금속 개스킷이 외부 산소 함유 기체에 노출되는 것을 방지하므로, 상기 금속 개스킷이 산화되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 연료 공급/배출 배관 및 공기 공급/배출 배관을 연료전지 스택이 아니라 하나 이상의 연료전지 스택을 지지할 수 있는 지지체에 연결함으로써 연료전지 구조체의 설치 공정을 단순화할 수 있고, 상기 지지체와 연료전지 스택 사이에 밀봉 부재를 배치시킴으로써 안정적으로 연료 및 공기를 밀봉할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 구조체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 스택을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 밀봉 부재를 설명하기 위한 부분 평면도 및 부분 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 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 구조체를 설명하기 위한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 연료전지 스택을 설명하기 위한 단면도이며, 도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 밀봉 부재를 설명하기 위한 부분 평면도 및 부분 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 구조체(1000)는 하나 이상의 연료전지 스택(1100), 지지체(1200) 및 밀봉부재(1300)를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 스택(1100)은 적층된 복수의 연료전지 단전지들을 포함할 수 있고, 내부에 수소(H2)를 포함하는 연료가 이동하는 연료 유로 및 산소(O2)를 포함하는 공기가 이동하는 공기 유로가 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 스택(1100)은 단전지 적층 구조체(1110), 상부 엔드 플레이트(1120) 및 하부 엔드 플레이트(1130)를 포함할 수 있다.
상기 단전지 적층 구조체(1110)은 복수의 단전지들(1111), 상기 단전지들(1111)의 가장 자리를 지지하는 복수의 셀프레임들(1112), 상기 단전지들(1111)을 전기적으로 연결하는 복수의 연결재들(1113)을 포함할 수 있다. 상기와 같은 단전지 적층 구조체(1110)는 복수의 단전지들(1111)이 지지된 셀프레임들(1112)과 연결재들(1113)이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
상기 단전지들(1111) 각각은 연료전지의 평판형 단전지일 수 있다. 예를 들면, 상기 단전지들(1111) 각각은 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC) 등의 평판형 단전지일 수 있다.
일 실시예로, 상기 단전지들(1111)이 고체산화물 연료전지의 평판형 단전지인 경우, 상기 단전지들(1111) 각각은 제1 전극, 제2 전극 및 이들 사이에 위치하는 고체 산화물 전해질을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 상기 연료가 공급되는 연료극(anode)일 수 있고, 나머지 하나는 상기 공기가 공급되는 공기극(cathode)일 수 있다. 상기 연료극 및 공기극에 수소(H2)를 포함하는 연료 및 산소(O2)를 포함하는 공기가 각각 공급되면, 산소 분압차에 의해 상기 공기극에서 환원된 산소 이온(O2-)이 고체 산화물 전해질을 경유하여 상기 연료극으로 이동하게 되고, 상기 연료극으로 이동된 산소 이온(O2-)은 상기 연료극에 제공된 수소(H2)와 반응하여 물(H2O)과 전자(e-)를 생성하게 된다. 상기 단전지들(1111) 각각은 상기와 같이 반응을 통해 생성된 전자를 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있다.
상기 셀프레임들(1112) 각각은 상기 단전지들(1111) 각각의 가장자리 부분을 지지하여 상기 연료전지 스택(1100)의 조립성 및 내구성을 향상시킬 수 있다. 일 실시예로, 상기 셀프레임들(1112) 각각은 지지된 단전지(1111)의 제1 및 제2 전극 중 하나의 전극을 노출시키는 채널용 개구(112)가 가운데 형성된 사각형 액자 형태의 프레임 구조를 가질 수 있고, 상기 채널용 개구(112)를 사이에 두고 서로 이격되게 제1 연료 공급홀(112-1a) 및 제1 연료 배출홀(112-1b)이 형성되며, 또한, 상기 채널용 개구(112)를 사이에 두고 서로 이격되게 제1 공기 공급홀(112-2a) 및 제1 공기 배출홀(112-2b)이 형성될 수 있다. 상기 제1 연료 공급홀(112-1a)과 상기 제1 공기 공급홀(112-2a)은 상기 셀프레임(1112)의 동일한 모서리에 인접하게 형성될 수도 있고, 서로 다른 모서리에 각각 인접하게 형성될 수도 있다.
상기 연결재들(1113)은 상기 단전지들(1111)을 서로 전기적으로 연결하고, 상기 단전지들(1111)에 의해 생성된 전기 에너지를 외부로 전달할 수 있다. 이를 위하여 상기 연결재들(1113)은 도전성 세라믹 또는 금속 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 연결재들(1113)은 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 LaCrO3 계열의 세라믹 재질 또는 철(Fe)-크롬(Cr) 계열의 금속 재질로 형성될 수 있다. 그리고 상기 연결재들(1113) 각각은 상기 셀프레임(1112)과 동일한 형상의 테두리를 갖는 사각 플레이트 구조를 가질 수 있고, 상기 연결재들(1113) 각각에는 상기 셀프레임(1112)의 제1 연료 공급홀(112-1a), 제1 연료 배출홀(112-1b), 제1 공기 공급홀(112-2a) 및 제1 공기 배출홀(112-2b)과 각각 연통되는 제2 연료 공급홀(113-1a), 제2 연료 배출홀(113-1b), 제2 공기 공급홀(113-2a) 및 제2 공기 배출홀(113-2b)이 형성될 수 있다.
상기 연결재들(1113)은 상기 상부 엔드 플레이트(1120)와 상기 단전지들(1111) 중 최상부 단전지 사이에 배치된 제1 연결재(1113A), 상기 단전지들(1111) 사이에 배치된 복수의 제2 연결재들(1113B) 및 상기 하부 엔드 플레이트(1130)와 상기 단전지들(1111) 중 최하부 단전지 사이에 배치된 제3 연결재(1113C)를 포함할 수 있다. 상기 제2 연결재들(1113B)은 상기 단전지들(1111)을 서로 전기적으로 연결할 수 있고, 상기 제1 연결재(1113A) 및 제3 연결재(1113C)는 상기 단전지들(1111)로부터 생성된 전기 에너지를 외부 회로에 전달할 수 있다. 한편, 상기 제1 연결재(1113A)에는 상기 제2 연료 공급홀(113-1a), 제2 연료 배출홀(113-1b), 제2 공기 공급홀(113-2a) 및 제2 공기 배출홀(113-2b)이 형성되지 않을 수 있다.
상기 상부 엔드 플레이트(1120) 및 상기 하부 엔드 플레이트(1130)는 상기 단전지 적층 구조체(1110)의 상부 및 하부에 각각 배치되어, 상기 단전지 적층 구조체(1110)에 균일한 압력이 인가될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 하부 엔드 플레이트(1130)에는 상기 연결재들(1113) 중 상기 제3 연결재(1113C)에 형성된 상기 제2 연료 공급홀(113-1a), 제2 연료 배출홀(113-1b), 제2 공기 공급홀(113-2a) 및 제2 공기 배출홀(113-2b)과 각각 연통하는 제3 연료 공급홀(130-1a), 제3 연료 배출홀(130-1b), 제3 공기 공급홀(130-2a) 및 제3 공기 배출홀(130-2b)이 형성될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 연료 공급홀들(112-1a, 113-1a, 130-1a)과 상기 제1 내지 제3 연료 배출홀들(112-1b, 113-1b, 130-1b)이 상기 연료 유로를 형성하고, 상기 제1 내지 제3 공기 공급홀들(112-2a, 113-2a, 130-2a)과 상기 제1 내지 제3 공기 배출홀들(112-2b, 113-2b, 130-2b)이 상기 공기 유로를 형성할 수 있다.
상기 지지체(1200)는 상기 하나 이상의 연료전지 스택(1100)의 하부에 배치되어 이를 지지할 수 있다. 그리고 상기 지지체(1200)에는 외부 연료 공급부(미도시)와 연결되어 상기 연료전지 스택(1100)에 연료를 공급하는 연료 공급관(1410) 및 상기 연료전지 스택(1100)으로부터 배출되는 연료가 이동하는 연료 배출관(1420)이 연결될 수 있다. 한편, 상기 지지체(1200)에는 외부 공기 공급부(미도시)와 연결되어 상기 연료전지 스택(1100)에 공기를 공급하는 공기 공급관(1430) 및 상기 연료전지 스택(1100)으로부터 배출되는 공기가 이동하는 공기 배출관(1440)이 추가적으로 연결될 수도 있다. 예를 들면, 상기 지지체(1200)는 상기 하부 엔드 플레이트(1130)의 상기 제3 연료 공급홀(130-1a), 제3 연료 배출홀(130-1b), 제3 공기 공급홀(130-2a) 및 제3 공기 배출홀(130-2b)과 각각 연통하는 제4 연료 공급홀(210-1a), 제4 연료 배출홀(210-1b), 제4 공기 공급홀(210-2a) 및 제4 공기 배출홀(210-2b)이 형성될 수 있고, 상기 연료 공급관(1410), 상기 연료 배출관(1420), 상기 공기 공급관(1430) 및 상기 공기 배출관(1440)은 상기 제4 연료 공급홀(210-1a), 제4 연료 배출홀(210-1b), 제4 공기 공급홀(210-2a) 및 제4 공기 배출홀(210-2b)에 각각 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 지지체(1200)는 상기 연료전지 스택(1100)을 직접 지지하는 지지 플레이트(1210), 상기 지지 플레이트(1210)의 하부면으로부터 돌출되어 상기 지지 플레이트(1210)를 설치면으로부터 이격되게 배치시키는 복수의 지지 다리들(1220)을 포함할 수 있다.
상기 지지 플레이트(1210)에는 상기 제4 연료 공급홀(210-1a), 제4 연료 배출홀(210-1b), 제4 공기 공급홀(210-2a) 및 제4 공기 배출홀(210-2b)이 형성될 수 있고, 상기 연료 공급관(1410), 상기 연료 배출관(1420), 상기 공기 공급관(1430) 및 상기 공기 배출관(1440)은 상기 지지 플레이트(1210)의 하부면에서 상기 제4 연료 공급홀(210-1a), 제4 연료 배출홀(210-1b), 제4 공기 공급홀(210-2a) 및 제4 공기 배출홀(210-2b)에 각각 연결될 수 있다.
상기 지지 다리들(1220)은 상기 지지 플레이트(1210)를 상기 설치면으로부터 이격된 상태에서 안정적으로 지탱할 수 있다면, 그 구조나 형상 등이 특별히 제한되지 않는다.
상기 밀봉 부재(1300)는 상기 지지체(1200)와 상기 연료전지 스택(1100) 사이에 배치되고, 상기 지지체의 상기 제4 연료 공급홀(210-1a), 제4 연료 배출홀(210-1b), 제4 공기 공급홀(210-2a) 및 제4 공기 배출홀(210-2b)과 이와 각각 연통하는 상기 하부 엔드 플레이트(1130)의 제3 연료 공급홀(130-1a), 제3 연료 배출홀(130-1b), 제3 공기 공급홀(130-2a) 및 제3 공기 배출홀(130-2b) 사이의 영역을 밀봉하여 상기 지지체(1200)와 상기 연료전지 스택(1100) 사이에서 연료 또는 공기가 누설되는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 밀봉 부재(1300)는 상기 지지체의 상부면과 상기 하부 엔드 플레이트의 하부면 사이에서 상기 제4 연료 공급홀(210-1a), 제4 연료 배출홀(210-1b), 제4 공기 공급홀(210-2a) 및 제4 공기 배출홀(210-2b) 중 적어도 하나의 상부 단부를 둘러싸도록 배치된 고리 형상의 금속 개스킷(1310), 상기 금속 개스킷(1310)을 사이에 두고 상기 홀의 상부 단부를 둘러싸도록 배치된 고리 형상의 내부 고온용 밀봉재(1320) 및 외부 고온용 밀봉재(1330)를 포함할 수 있다.
상기 금속 개스킷(1310)은 고온에서도 상대적으로 안정한 금속 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 개스킷(1310)은 철-크롬을 함유하는 금속 재질로 형성될 수 있다. 그리고 상기 내부 및 외부 고온용 밀봉재(1320, 1330)는 글라스 재료, 글라스와 세라믹의 복합체 재료 등으로 형성될 수 있고, 편평한 상부면 및 하부면을 구비할 수 있다.
이 경우, 상기 지지 플레이트(1210)의 상부면 및 상기 하부 엔드 플레이트(1130)의 하부면 중 하나에는 상기 금속 개스킷(1310) 하부에는 상기 홀을 둘러싸는 폐곡선을 형성하고 일정한 높이로 돌출된 가압 돌출부(1210a, 1210b, 1210c, 1210d 참조)가 형성될 수 있고, 나머지 하나에는 상기 가압 돌출부 및 이의 표면에 배치된 금속 개스킷의 적어도 일부가 삽입되는 개스킷 삽입홈(11-1a, 11-1b, 11-2a, 11-2b 참조)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 지지 플레이트(1210)의 상부면 중 상기 금속 개스킷(1310) 하부에 상기 상기 가압 돌출부(1210a, 1210b, 1210c, 1210d 참조)가 형성될 수 있고, 상기 하부 엔드 플레이트(1130)의 하부면에 상기 개스킷 삽입홈(11-1a, 11-1b, 11-2a, 11-2b 참조)이 형성될 수 있다. 상기 가압 돌출부는 상기 지지 플레이트(1210)의 상부면으로부터 상부로 갈수록 폭이 감소하는 형상을 가질 수 있고, 상기 개스킷 삽입홈은 상기 가압 돌출부의 형상에 대응하여 상기 하부 엔드 플레이트(1130)의 하부면으로부터 내부로 깊어질수록 폭이 감소하는 형상을 가질 수 있다. 한편, 상기 하부 엔드 플레이트(1130)의 하부면에는 상기 개스킷 삽입홈을 사이에 두고 서로 이격되게 형성되어 상기 내부 고온용 밀봉재(1320) 및 상기 외부 고온용 밀봉재(1330)의 적어도 일부가 각각 삽입되는 내부 삽입홈(12-1a, 12-1b, 12-2a, 12-2b 참조) 및 외부 삽입홈(13-1a, 13-1b, 13-2a, 13-2b 참조)이 추가적으로 형성될 수 있다.
일 실시예로, 상기 금속 개스킷(1310)은 상기 제4 연료 공급홀(210-1a), 제4 연료 배출홀(210-1b), 제4 공기 공급홀(210-2a) 및 제4 공기 배출홀(210-2b)의 상부 단부를 각각 둘러싸도록 배치된 제1 내지 제4 금속 개스킷(1310a, 1310b, 1310c, 1310d)을 포함할 수 있고, 상기 내부 고온용 밀봉재(1320)는 상기 제1 내지 제4 금속 개스킷(1310a, 1310b, 1310c, 1310d)의 내부에 각각 배치된 제1 내지 제4 내부 고온용 밀봉재(1320a, 1320b, 1320c, 1320d)를 포함할 수 있으며, 상기 외부 고온용 밀봉재(1330)는 상기 제1 내지 제4 금속 개스킷(1310a, 1310b, 1310c, 1310d)을 각각 둘러싸도록 배치된 제1 내지 제4 외부 고온용 밀봉재(1330a, 1330b, 1330c, 1330d)를 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제4 금속 개스킷(1310a, 1310b, 1310c, 1301d)은 상기 제1 내지 제4 가압 돌출부(1210a, 1210b, 1210c, 1210d)의 형상에 대응하여 가운데 부분이 절곡된 금속 플레이트를 구조를 가질 수 있고, 상기 제1 내지 제4 내부 고온용 밀봉재(1330a, 1330b, 1330c, 1330d) 및 상기 제1 내지 제4 외부 고온용 밀봉재(1330a, 1330b, 1330c, 1330d)는 각각 일정한 높이 및 폭을 가질 수 있다.
이 경우, 상기 지지 플레이트(1210)의 상부면에는 상기 제4 연료 공급홀(210-1a), 제4 연료 배출홀(210-1b), 제4 공기 공급홀(210-2a) 및 제4 공기 배출홀(210-2b)을 각각 둘러싸는 폐곡선을 형성하고 일정한 높이로 돌출된 제1 내지 제4 가압 돌출부(1210a, 1210b, 1210c, 1210d)가 형성될 수 있고, 상기 하부 엔드 플레이트(1130)의 하부면에는 상기 제3 연료 공급홀(130-1a), 제3 연료 배출홀(130-1b), 제3 공기 공급홀(130-2a) 및 제3 공기 배출홀(130-2b)을 각각 둘러싸도록 형성되고, 상기 제1 내지 제4 가압 돌출부(1210a, 1210b, 1210c, 1210d)가 각각 삽입되는 제1 내지 제4 개스킷 삽입홈(11-1a, 11-1b, 11-2a, 11-2b)이 형성될 수 있다. 그리고 상기 하부 엔드 플레이트(1130)의 하부면에는 상기 제1 개스킷 삽입홈(11-1a)을 사이에 두고 서로 이격된 제1 내부 삽입홈(12-1a) 및 제1 외부 삽입홈(13-1a), 상기 제2 개스킷 삽입홈(11-1b)을 사이에 두고 서로 이격된 제2 내부 삽입홈(12-1b) 및 제2 외부 삽입홈(13-1b), 상기 제3 개스킷 삽입홈(11-2a)을 사이에 두고 서로 이격된 제3 내부 삽입홈(12-2a) 및 제3 외부 삽입홈(13-3a) 및 상기 제4 개스킷 삽입홈(11-2b)을 사이에 두고 서로 이격된 제4 내부 삽입홈(12-2b) 및 제4 외부 삽입홈(13-2b)이 추가적으로 형성될 수 있다.
일반적으로 연료전지 스택 설치시 스택의 설치 후에 연료 공급/배출 배관들 및 공기 공급/배출 배관들을 연료전지 스택에 연결하므로, 상기 배관들의 연결을 위한 작업에 많은 어려움이 발생하는데, 본 발명의 연료전지 구조체에 따르면, 연료 공급/배출 배관 및 공기 공급/배출 배관을 연료전지 스택이 아니라 하나 이상의 연료전지 스택을 지지할 수 있는 지지체에 연결함으로써 연료전지 구조체의 설치 공정을 단순화할 수 있고, 상기 지지체와 연료전지 스택 사이에 밀봉 부재를 배치시킴으로써 안정적으로 연료 및 공기를 밀봉할 수 있다.
본 발명의 연료전지 구조체에 있어서, 상기 밀봉 부재가 고온용 밀봉재와 함께 금속 개스킷을 포함하므로, 고온용 밀봉재의 도포 면적을 감소시키더라도 안정적으로 연료 및 공기의 기밀성을 확보할 수 있으므로, 상기 고온용 밀봉재의 도포 면적을 감소시킬 수 있고, 그 결과 상온에서 상기 연료전지 스택을 상기 지지체로부터 용이하게 탈부착할 수 있다.
또한, 유리는 고온용 밀봉재로써 저온에서는 기밀성이 저하되는 문제점이 있는데, 본 발명의 연료전지 구조체에 있어서는 상기 밀봉 부재가 고온용 밀봉재와 함께 금속 개스킷을 포함하고, 상기 금속 개스킷은 상기 연료전지 스택과 상기 지지체의 체결시 인가되는 압축력에 의해 변형되어 밀봉재로서 기능하므로, 고온용 밀봉재의 용융 온도 미만의 상대적으로 저온에서도 연료 및 공기를 안정적으로 밀봉할 수 있다. 그리고 제1 및 제2 고온용 밀봉재가 상기 금속 개스킷의 내부 및 외부에 배치되어 상기 금속 개스킷이 외부 산소 함유 기체에 노출되는 것을 방지하므로, 상기 금속 개스킷이 산화되는 것을 방지할 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]
1000: 연료전지 구조체 1100: 연료전지 스택
1111: 단전지들 1112: 셀프레임
1113: 연결재 1200: 지지체
1300: 밀봉부재 1310: 금속 개스킷
1320: 내부 고온용 밀봉재 1330: 외부 고온용 밀봉재

Claims (10)

  1. 적층된 복수의 연료전지 단전지들을 포함하고, 내부에 수소(H2)를 포함하는 연료가 이동하는 연료 유로 및 산소(O2)를 포함하는 공기가 이동하는 공기 유로가 형성된 하나 이상의 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택의 하부에 배치되어 이를 지지하고, 상기 연료전지 스택에 연료를 공급하는 연료 공급관 및 상기 연료전지 스택으로 연료를 배출하는 연료 배출관이 결합되며, 상기 연료 공급관과 상기 연료 유로의 입구를 연결하는 제4 연료 공급홀 및 상기 연료 배출관과 상기 연료 유로의 출구를 연결하는 제4 연료 배출홀이 형성된 지지 플레이트를 포함하는 지지체; 및
    상기 연료전지 스택과 상기 지지 플레이트 사이에 배치되고, 상기 제4 연료 공급홀과 상기 연료 유로의 입구 사이의 영역 및 상기 제4 연료 배출홀과 상기 연료 유로의 출구 사이의 영역을 밀봉하는 밀봉 부재;를 포함하는, 연료전지 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지체는 상기 지지 플레이트의 하부면으로부터 돌출되어 상기 지지 플레이트를 설치면으로부터 이격시키는 복수의 지지 다리들을 더 포함하고,
    상기 연료 공급관 및 상기 연료 배출관은 상기 지지 플레이트의 하부면에 결합된 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택은,
    복수의 평판형 단전지들, 상기 단전지들의 가장 자리를 각각 지지하는 복수의 셀프레임들, 상기 셀프레임들과 교대로 배치되어 상기 단전지들을 전기적으로 연결하는 복수의 연결재들을 포함하는 단전지 적층 구조체;
    상기 단전지 적층 구조체의 상부에 배치된 상부 엔드 플레이트; 및
    상기 단전지 적층 구조체의 하부에 배치되고, 상기 지지 플레이트와 마주보는 하부 엔드 플레이트를 포함하고,
    상기 하부 엔드 플레이트에는 상기 연료 유로의 입구를 형성하는 제3 연료 공급홀 및 상기 연료 유로의 출구를 형성하는 제3 연료 배출홀이 형성되고,
    상기 밀봉 부재는 상기 지지 플레이트와 상기 하부 엔드 플레이트 사이에 배치되어 상기 제3 연료 공급홀과 상기 제4 연료 공급홀 사이의 영역 및 상기 제3 연료 배출홀과 상기 제4 연료 배출홀 사이의 영역을 밀봉하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 밀봉 부재는 상기 제4 연료 공급홀 및 상기 제4 연료 배출홀 중 적어도 하나의 홀의 상부 단부를 둘러싸도록 배치된 고리 형상의 금속 개스킷 그리고 상기 금속 개스킷을 사이에 두고 상기 적어도 하나의 홀의 상부 단부를 둘러싸도록 배치된 고리 형상의 내부 고온용 밀봉재 및 외부 고온용 밀봉재를 포함하고,
    상기 지지 플레이트의 상부면 및 상기 하부 엔드 플레이트의 하부면 중 하나에는 상기 금속 개스킷을 가압하는 가압 돌출부가 형성되고, 나머지 하나에는 상기 가압 돌출부에 의해 가압된 상기 금속 개스킷이 삽입되는 개스킷 삽입홈이 형성된 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 지지 플레이트의 상부면 및 상기 하부 엔드 플레이트의 하부면 중 상기 개스킷 삽입홈이 형성된 면에는 상기 개스킷 삽입홈의 내부 및 외부에 각각 고리 형상으로 형성되고, 상기 내부 고온용 밀봉재 및 상기 외부 고온용 밀봉재의 단부가 각각 삽입되는 내부 삽입홈 및 외부 삽입홈이 형성된 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 금속 개스킷은 철-크롬을 함유하는 금속 재료로 형성되고, 상기 내부 및 외부 고온용 밀봉재 각각은 글라스 재료 또는 글라스와 세라믹의 복합체 재료로 형성된 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 금속 개스킷은 가운데 부분이 절곡된 고리 형상의 금속 플레이트를 포함하고,
    상기 가압 돌출부는 상부로 갈수록 폭이 감소하는 고리 형상을 가지고,
    상기 개스킷 삽입홈은 상기 가압 돌출부의 형상에 대응하여 내부로 갈수록 폭이 감소하는 고리 형상을 가지는 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금속 개스킷은 상기 제4 연료 공급홀 및 상기 제4 연료 배출홀의 상부 단부들을 각각 둘러싸도록 배치된 제1 및 제2 금속 개스킷을 포함하고,
    상기 내부 고온용 밀봉재는 상기 제1 및 제2 금속 개스킷의 내부에 각각 배치된 제1 및 제2 내부 고온용 밀봉재를 포함하며,
    상기 외부 고온용 밀봉재는 상기 제1 및 제2 금속 개스킷을 각각 둘러싸도록 배치된 제1 및 제2 외부 고온용 밀봉재를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 지지 플레이트에는 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기 공급관 및 상기 연료전지 스택으로 공기를 배출하는 공기 배출관이 추가로 결합되고, 상기 공기 공급관과 상기 공기 유로의 입구를 연결하는 제4 공기 공급홀 및 상기 공기 배출관과 상기 공기 유로의 출구를 연결하는 제4 공기 배출홀이 형성되며,
    상기 하부 엔드 플레이트에는 상기 공기 유로의 입구를 형성하는 제3 공기 공급홀 및 상기 공기 유로의 출구를 형성하는 제3 공기 배출홀이 형성되고,
    상기 밀봉 부재는 상기 제4 공기 공급홀과 상기 제3 공기 공급홀 사이의 영역 및 상기 제4 연료 배출홀과 상기 제3 공기 배출홀 사이의 영역을 추가로 밀봉하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 금속 개스킷은 상기 제4 공기 공급홀 및 상기 제4 공기 배출홀의 상부 단부들을 각각 둘러싸도록 배치된 제3 및 제4 금속 개스킷을 더 포함하고,
    상기 내부 고온용 밀봉재는 상기 제3 및 제4 금속 개스킷의 내부에 각각 배치된 제3 및 제4 내부 고온용 밀봉재를 더 포함하며,
    상기 외부 고온용 밀봉재는 상기 제3 및 제4 금속 개스킷을 각각 둘러싸도록 배치된 제3 및 제4 외부 고온용 밀봉재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
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