WO2020004786A1 - 연료전지 구조체 - Google Patents

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WO2020004786A1
WO2020004786A1 PCT/KR2019/004440 KR2019004440W WO2020004786A1 WO 2020004786 A1 WO2020004786 A1 WO 2020004786A1 KR 2019004440 W KR2019004440 W KR 2019004440W WO 2020004786 A1 WO2020004786 A1 WO 2020004786A1
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fuel
fuel cell
cell stack
high temperature
disposed
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PCT/KR2019/004440
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박진아
최성호
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주식회사 미코
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
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Definitions

  • the present invention relates to a 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 been actively researched recently because of the simple energy conversion step and the eco-friendly nature of high efficiency and pollution-free generators.
  • 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, a molten carbonate fuel cell (MCFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC) ,
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • PAFC phosphoric acid fuel cell
  • PEFC polymer fuel cells
  • a glass material is used to directly connect fuel and air supply pipes and discharge pipes to end plates or manifolds constituting the fuel cell stack, and to seal fuel and air stably even at high temperatures. Sealing materials are mainly used.
  • a fuel cell structure includes an upper end plate having a first pressing plate portion and a first fastening region portion protruding in a horizontal direction from at least one of the side surfaces of the first pressing plate portion; A lower end plate having a second pressing plate portion disposed to face the first pressing plate portion and a second fastening region portion projecting in a horizontal direction from at least one of the side surfaces of the second pressing plate portion; And a unit cell stack structure disposed between the first pressing plate portion and the second pressing plate portion.
  • a support including a support plate disposed below and supporting the fuel cell stack; And a fastening mechanism configured to fasten the fuel cell stack and the support through the first fastening region, the second fastening region, and the support plate.
  • the support plate is a fuel supply pipe for supplying fuel to the fuel cell stack and the fourth fuel supply hole for connecting the inlet of the fuel passage in the fuel cell stack and the fuel discharged from the fuel cell stack And a fourth fuel discharge hole connecting a fuel discharge pipe and an outlet of the fuel passage, in which case the fuel cell structure is disposed between the fuel cell stack and the support plate, and the fourth fuel supply hole and
  • the display device may further include a sealing member including a high temperature sealant and a compression sealer that seal between the inlet of the fuel passage and between the fourth fuel outlet hole and the outlet of the fuel passage.
  • the compression seal member has an annular shape surrounding an upper end of at least one of the fourth fuel supply hole and the fourth fuel discharge hole between the upper surface of the support plate and the lower end plate.
  • the high temperature sealant has an annular internal high temperature disposed between the upper surface of the support plate and the lower end plate between the lower surface and disposed inside the compression seal and surrounding the upper end of the at least one hole. It may include a sealing material.
  • the hot sealing material may further include an external hot sealing material disposed between the upper surface of the support plate and the lower end plate to surround the compression sealing material between the lower surface.
  • each of the internal high temperature sealant and the external high temperature sealant may be formed of a glass material or a composite material of glass and ceramic, and the compression seal may be formed of a ceramic material.
  • the compression seal may include first and second compression seals disposed to surround upper ends of the fourth fuel supply hole and the fourth fuel discharge hole, respectively. And a first internal and second internal high temperature sealing material disposed in the first and second compression sealing materials, respectively, wherein the external high temperature sealing material is disposed to surround the first and second compression sealing materials, respectively. And a first and second external high temperature sealant.
  • a first flow preventing groove into which at least a portion of the lower end plate is inserted may be formed on the upper surface of the support plate.
  • the upper surface of the support plate may include a first region formed along an edge portion and a second region surrounded by the first region and protruding stepwise from the first region,
  • the lower surface of the lower end plate may be formed with a second flow preventing groove into which the second region can be inserted.
  • the sealing member may be disposed between the second area and the bottom surface of the second flow preventing groove.
  • the sealing member includes a compression sealing material together with the high temperature sealing material, it is possible to stably secure the airtightness of fuel and air even if the application area of the high temperature sealing material is reduced. Therefore, the coating area of the high temperature sealing material can be reduced, and as a result, the fuel cell stack can be easily detached from the support at room temperature.
  • the glass is a high temperature sealing material and the airtightness is lowered at a low temperature.
  • the sealing member since the sealing member includes a compression sealing material together with the high temperature sealing material, the glass is relatively lower than the melting temperature of the high temperature sealing material. This ensures stable sealing of fuel and air even at low temperatures.
  • a fastening region is formed in the upper end play and the lower end plate of the fuel cell stack, and the fuel cell stack and the support are coupled by a fastening mechanism, so that the fuel cell stack is moved during the movement, thereby between the fuel cell stack and the support. It can prevent that the sealing member arrange
  • a second flow for forming a first flow preventing groove for accommodating and fixing the fuel cell stack on the upper surface of the support, or a protruding region of the support can be inserted into the lower surface of the lower end plate By forming a blocking groove, the fuel cell stack can be more stably prevented from flowing with respect to the support during movement.
  • 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 structure shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a partial plan view for explaining the sealing member shown in FIG. 2.
  • FIG. 5 is a plan view illustrating an upper end plate and a lower end plate of a fuel cell stack.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining an embodiment of a sealing structure between a support and a fuel cell stack.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view for describing a fuel cell structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 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. 1 is a perspective view illustrating a fuel cell structure according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the fuel cell structure shown in FIG. 1
  • FIG. 3 illustrates the sealing member shown in FIG. 2.
  • 4 is a cross-sectional view of the fuel cell stack illustrated in FIGS. 1 and 2
  • FIG. 5 is a plan view illustrating an upper end plate and a lower end plate of the fuel cell stack
  • FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating an example of a sealing structure between fuel cell stacks
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a fuel cell structure 1000 may include one or more fuel cell stacks 1100, a support body 1200, and a sealing member 1300.
  • the fuel cell stack 1100 may include a plurality of stacked fuel cell units 1111 and includes a fuel flow path and oxygen O 2 through which a fuel including hydrogen (H 2 ) moves. An air flow path through which the air moves may be formed.
  • the fuel cell stack 1100 may include a unit cell stack structure 1110, an upper end plate 1120, and a lower end plate 1130.
  • the unit cell stack structure 1110 electrically connects the plurality of unit cells 1111, the plurality of cell frames 1112 supporting the edges of the unit cells 1111, and the unit cells 1111. It may include a plurality of connecting members (1113A, 1113B, 1113C) for connecting.
  • the unit cell stack structure 1110 may have a structure in which 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 planar unit cell of a fuel cell.
  • each of the unit cells 1111 may be a planar unit cell such as a solid oxide fuel cell (SOFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a phosphate fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), or the like.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • PAFC phosphate fuel cell
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • the unit cell 1111 will be described as an example of a flat unit cell of a solid oxide fuel cell.
  • each of the unit cells 1111 may include a first electrode, a second electrode, and a solid oxide electrolyte disposed therebetween. It may include.
  • 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.
  • oxygen ions (O 2- ) reduced in the cathode by the oxygen partial pressure difference are solid oxide electrolytes.
  • Each of the unit cells 1111 may generate electrical energy using electrons generated through the reaction as described above.
  • Each of the cell frames 1112 may support an edge portion of each of the unit cells 1111 to improve assembly and durability of the fuel cell stack 1100.
  • each of the cell frames 1112 has a frame structure having a rectangular frame shape in which a channel opening 112 exposing one of the first and second electrodes of the supported unit cell 1111 is formed.
  • a first fuel supply hole 112-1a and a first fuel discharge hole 112-1b are formed to be spaced apart from each other with the channel opening 112 interposed therebetween.
  • the first air supply holes 112-2a and the first air discharge holes 112-2b may be formed to be spaced apart from each other with the 112 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, or may be formed adjacent to different corners, respectively. It may be.
  • the connecting members 1113A, 1113B, and 1113C may electrically connect the unit cells 1111 to each other, and transmit electrical energy generated by the unit cells 1111 to the outside.
  • the connecting members 1113A, 1113B, and 1113C may be formed of a conductive ceramic or metal material.
  • the connecting members 1113A, 1113B, and 1113C may be formed of a LaCrO 3 based ceramic material having a perovskite structure or an iron (Fe) -chromium (Cr) based metal material.
  • Each of the connecting members 1113A, 1113B, and 1113C may have a square plate structure having an edge having the same shape as that of the cell frame 1112.
  • the connecting members 1113A, 1113B, and 1113C may include the first connecting member 1113A and the unit cell disposed between the upper end plate 1120 and the uppermost single 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 be electrically generated from the unit cells 1111. Energy can be transferred to external circuits.
  • At least one of the second connecting members 1113B and the third connecting member 1113C among the connecting members 1113A, 1113B, and 1113C may include a first fuel supply hole 112-1a and a first fuel cell of the cell frame 1112.
  • 113-1b, the second air supply hole 113-2a, and the second air discharge hole 113-2b may be formed.
  • 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 may be formed in the first connector 1113A. 113-2b) may or may not be formed.
  • the upper end plate 1120 and the lower end plate 1130 are disposed on the upper and lower portions of the unit cell stack structure 1110, respectively, and uniform pressure may be applied to the unit cell stack structure 1110. .
  • the upper end plate 1120 may include a first pressing plate portion 1121 and a plurality of first fastening region portions 1122
  • the lower end plate 1130 may include a second pressing plate portion 1131 and a plurality of second fastening region portions 1132.
  • the first pressing plate portion 1121 and the second pressing plate portion 1131 may be disposed on and press the upper and lower portions of the unit cell stack structure 1110, respectively, and may press the edges of the cell frame 1112. It may have a plate structure of the same shape as.
  • a first cell for coupling the unit cell stack structure 1110, the upper end plate 1120, and the lower end plate 1130 to the first pressing plate part 1121 and the second pressing plate part 1131.
  • 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 are the fuel.
  • a flow path is formed, 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) may form the air flow path.
  • the third fuel supply hole 130-1a and the third fuel discharge hole 130-1b respectively form an inlet and an outlet of the fuel passage, and the third air supply hole 130-2a and the third fuel supply hole 130-1b respectively.
  • the three air outlet holes 130-2b form inlets and outlets of the air passages, respectively.
  • the first fastening region portion 1122 may be formed to protrude in a horizontal direction from a portion of the side surfaces of the first pressing plate portion 1121, and the second fastening region portion 1132 is the second pressing plate. It may be formed to protrude in a horizontal direction from some of the side surfaces of the portion 1131. Second fastening holes 1122a and 1132a through which second fastening mechanisms 1500 for fastening the fuel cell stack 1100 to the support body 1200 pass through the first and second fastening area portions 1122 and 1132. ) May be formed. Since the first fastening region portion 1122 and the second fastening region portion 1132 are formed to protrude in a horizontal direction from side surfaces of the first pressing plate portion 1121 and the second pressing plate portion 1131. The first fastening region 1112 and the second fastening region 1132 do not overlap the single cell stack structure 1110, and as a result, the second fastening mechanism 1500 is stacked on the single cell stack. It may be disposed outside the structure 1110.
  • FIG. 5 four first fastening region portions 1122 and four second fastening regions respectively protruding from four sides of the first pressure plate portion 1121 and the second pressure plate portion 1131.
  • the portion 1132 is shown, the present invention is not limited thereto, and the upper end plate 1120 and the lower end plate 1130 may be formed of the first pressing plate portion 1121 and the second pressing plate portion ( It may include two first fastening region portion 1122 and two second fastening region portion 1132, respectively, protruding from two opposite sides of 1131.
  • FIG. 2 illustrates that both the upper end plate 1120 and the lower end plate 1130 have the fastening regions 1122 and 1132, the upper end plate 1120 and the lower end play ( Only one of 1130 may have the fastening region portions 1122 and 1132 for engaging with the support 1200. For example, only the lower end plate 1130 may include the fastening region 1132.
  • the support 1200 may be disposed below and support the one or more fuel cell stacks 1100.
  • a fuel supply pipe 1410 connected to an external fuel supply unit (not shown) and supplying fuel to the fuel cell stack 1100 and a fuel discharge pipe to which the fuel discharged from the fuel cell stack 1100 moves are moved to the support 1200. 1420 may be connected.
  • an air supply pipe 1430 connected to an external air supply unit (not shown) and supplying air to the fuel cell stack 1100 and air discharged from the fuel cell stack 1100 are moved to the support 1200.
  • the air discharge pipe 1440 may be further connected.
  • the support 1200 includes the third fuel supply hole 130-1a, the third fuel discharge hole 130-1b, and a third air supply hole 130 of the lower end plate 1130. -2a) and the fourth fuel supply hole 210-1a, the fourth fuel discharge hole 210-1b, and the fourth air supply hole 210-2a, which communicate with the third air discharge hole 130-2b, respectively. And a fourth air discharge hole 210-2b, and the fuel supply pipe 1410, the fuel discharge pipe 1420, the air supply pipe 1430, and the air discharge pipe 1440 may supply the fourth fuel.
  • the 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 may be connected to each other.
  • the support 1200 is a support plate 1210 for directly supporting the fuel cell stack 1100, protruding from the lower surface of the support plate 1210 to install the support plate 1210 It may include a plurality of support legs 1220 to be spaced apart from the.
  • the support plate 1210 includes 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. ) 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 are coupled to a lower surface of the support plate 1210 to be connected to the fourth.
  • the 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 may be connected to each other.
  • a portion of the fuel cell stack 1100 for example, at least a portion of the lower end plate 1130 is inserted into an upper surface of the support plate 1210.
  • a first flow preventing groove 1211 may be formed to be fixed.
  • the first flow preventing groove 1211 may have a flat bottom surface, may have a planar shape and size similar to the edge of the lower end plate 1130, and at least a portion of the lower end plate 1130. It may have a depth enough to be inserted.
  • the upper surface of the support plate 1210 is surrounded by the first region 1210a and the first region 1210a formed along the edge portion, and the first surface 1210a is surrounded by the first region 1210a. It may include a second region 1210b projecting stepped compared to the first region 1210a, the second region of the support plate 1210 on the lower surface of the lower end plate 1130 of the fuel cell stack 1100 A second flow preventing groove 1130a into which the 1210b may be inserted may be formed.
  • the second flow preventing groove 1130a may have a flat bottom surface, may have a planar shape and size similar to that of the second area 1210b, and the first area 1210a and the second area. It may have a depth corresponding to the height difference of 1210b.
  • the sealing member 1300 may be disposed between the second region 1210b and the bottom surface of the second flow preventing groove 1130a.
  • the structure or shape thereof is not particularly limited.
  • the sealing member 1300 is disposed between the support 1200 and the fuel cell stack 1100, and the fourth fuel supply hole 210-1a and the fourth fuel discharge hole 210-1b of the support are disposed. And a 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, respectively, and a third fuel discharge. Sealing an area between the hole (130-1b), the third air supply hole (130-2a) and the third air discharge hole (130-2b) to the fuel between the support 1200 and the fuel cell stack 1100 Alternatively, air leakage can be prevented.
  • the sealing member 1300 may include the fourth fuel supply hole 210-1a and the fourth fuel discharge hole 210-1b between the upper surface of the support and the lower surface of the lower end plate. , An annular compression seal formed of a ceramic material disposed 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 and having a relatively high melting temperature. 1310, an annular internal high temperature sealant 1320 and an external high temperature sealant 1330 disposed to surround the upper end of the hole at positions spaced apart from each other with the compression sealant 1310 interposed therebetween. have.
  • the compression seal 1310 may be formed of a ceramic material having a melting temperature equal to or higher than an operating temperature of a solid oxide fuel cell, for example, mica, and may have a ring shape having a flat upper surface and a lower surface. have.
  • the inner and outer high temperature sealing materials 1320 and 1330 may be formed of a glass material having a lower melting temperature than the extruded sealing material 1310, a composite material of glass and ceramic, etc., each having a flat upper surface and a lower surface. It may have a ring shape.
  • the heights of the inner and outer high temperature seals 1320 and 1330 may be greater than the height of the compression seals, in which case the top surface of the support plate 1210 and the lower end plate 1130.
  • One of the lower surfaces of the inner and outer insertion grooves 12-1a, 12-1b, 12-2a and 12-2b into which one end of the inner and outer high temperature sealing materials 1320 and 1330 are inserted, respectively; (See 13-1a, 13-1b, 13-2a, 13-2b) may be formed respectively.
  • the compression seal 1310 is 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
  • the first to fourth compression seals 1310a, 1310b, 1310c, and 1310d may be disposed to surround the upper ends of the holes 210-2b, respectively, and the internal high temperature sealant 1320 may include the first to fourth compression seals 1320.
  • the first to fourth internal high temperature sealing materials 1320a, 1320b, 1320c, and 1320d disposed in the fourth compression seals 1310a, 1310b, 1310c, and 1310d, respectively, may be included.
  • first to fourth external high temperature seals 1330a, 1330b, 1330c, and 1330d disposed to surround the first to fourth compression seals 1310a, 1310b, 1310c, and 1310d, respectively.
  • the cross-sectional area of each of the first to fourth compression seals 1310a, 1310b, 1310c, and 1301d may be the first to fourth internal high temperature sealants 1320a, 1320b, 1320c, and 1320d, and the first to fourth external high temperature seals.
  • the sealing materials 1330a, 1330b, 1330c, and 1330d may be larger than the cross-sectional area of each.
  • the heights of the first to fourth compression seals 1310a, 1310b, 1310c, and 1301d are greater than the first to fourth internal high temperature sealants 1320a, 1320b, 1320c, and 1320d, and the first to fourth external high temperatures.
  • the sealing material (1330a, 1330b, 1330c, 1330d)
  • one of the upper surface of the support plate 1210 and the lower surface of the lower end plate 1130, the third fuel supply hole (130-1a) one of the upper surface of the support plate 1210 and the lower surface of the lower end plate 1130, the third fuel supply hole (130-1a) ),
  • To fourth outside Insertion grooves 13-1a, 13-1b, 13-2a, and 13-2b may be formed.
  • the bottom surface of -2b) and the end surfaces of the first to fourth internal high temperature sealing materials 1320a, 1320b, 1320c, and 1320d and the first to fourth external high temperature sealing materials 1330a, 1330b, 1330c, and 1330d It can be equally flat.
  • the installation process of the fuel cell structure can be simplified by connecting the fuel supply / exhaust piping and the air supply / exhaust piping to a support capable of supporting one or more fuel cell stacks, not the fuel cell stack.
  • the sealing member between the fuel cell stacks fuel and air can be sealed stably.
  • the sealing member includes a compression sealing material together with the high temperature sealing material, even if the application area of the high temperature sealing material is reduced, it is possible to stably ensure the airtightness of fuel and air, and thus the high temperature sealing material. It is possible to reduce the coating area of the, and as a result can easily detach the fuel cell stack from the support at room temperature.
  • the glass is a high temperature sealing material and the airtightness is lowered at a low temperature.
  • the sealing member since the sealing member includes a compression sealing material together with the high temperature sealing material, the glass is relatively lower than the melting temperature of the high temperature sealing material. This ensures stable sealing of fuel and air even at low temperatures.
  • a fastening region is formed in the upper end play and the lower end plate of the fuel cell stack, and the fuel cell stack and the support are coupled by a fastening mechanism, so that the fuel cell stack is moved during the movement, thereby between the fuel cell stack and the support. It can prevent that the sealing member arrange
  • a second flow for forming a first flow preventing groove for accommodating and fixing the fuel cell stack on the upper surface of the support, or a protruding region of the support can be inserted into the lower surface of the lower end plate By forming a blocking groove, the fuel cell stack can be more stably prevented from flowing with respect to the support during movement.

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Abstract

연료전지 구조체가 개시된다. 연료전지 구조체는 제1 가압 플레이트부 및 상기 제1 가압 플레이트부의 측면들 중 하나 이상으로부터 수평 방향으로 돌출된 제1 체결 영역부를 구비하는 상부 엔드 플레이트; 상기 제1 가압 플레이트부와 대향하도록 배치된 제2 가압 플레이트부 및 상기 제2 가압 플레이트부의 측면들 중 하나 이상으로부터 수평 방향으로 돌출된 제2 체결 영역부를 구비하는 하부 엔드 플레이트; 및 상기 제1 가압 플레이트부와 상기 제2 가압 플레이트부 사이에 배치된 단전지 적층 구조체를 포함하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택의 하부에 배치되어 이를 지지하는 지지 플레이트를 포함하는 지지체; 및 상기 제1 체결 영역부, 상기 제2 체결 영역부 및 상기 지지 플레이트를 관통하여 상기 연료전지 스택과 상기 지지체를 체결하는 체결기구를 구비한다.

Description

연료전지 구조체
본 발명은 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 고온용 밀봉재재가 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 연료전지 구조체의 설치 및 교체가 용이하고 연료 및 공기를 안정적으로 밀봉할 수 있는 연료전지 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 구조체는 제1 가압 플레이트부 및 상기 제1 가압 플레이트부의 측면들 중 하나 이상으로부터 수평 방향으로 돌출된 제1 체결 영역부를 구비하는 상부 엔드 플레이트; 상기 제1 가압 플레이트부와 대향하도록 배치된 제2 가압 플레이트부 및 상기 제2 가압 플레이트부의 측면들 중 하나 이상으로부터 수평 방향으로 돌출된 제2 체결 영역부를 구비하는 하부 엔드 플레이트; 및 상기 제1 가압 플레이트부와 상기 제2 가압 플레이트부 사이에 배치된 단전지 적층 구조체를 포함하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택의 하부에 배치되어 이를 지지하는 지지 플레이트를 포함하는 지지체; 및 상기 제1 체결 영역부, 상기 제2 체결 영역부 및 상기 지지 플레이트를 관통하여 상기 연료전지 스택과 상기 지지체를 체결하는 체결기구를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 지지 플레이트에는 상기 연료전지 스택에 연료를 공급하는 연료 공급관과 상기 연료전지 스택 내부의 연료 유로의 입구를 연결하는 제4 연료 공급홀 및 상기 연료전지 스택으로부터 연료를 배출하는 연료 배출관과 상기 연료 유로의 출구를 연결하는 제4 연료 배출홀을 구비할 수 있고, 이 경우, 상기 연료전지 구조체는 상기 연료전지 스택과 상기 지지 플레이트 사이에 배치되고, 상기 제4 연료 공급홀과 상기 연료 유로의 입구 사이 및 상기 제4 연료 배출홀과 상기 연료 유로의 출구 사이를 밀봉하는 고온용 밀봉재 및 압축 밀봉재를 포함하는 밀봉 부재를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 압축 밀봉재는 상기 지지 플레이트의 상부면과 상기 하부 엔드 플레이트이 하부면 사이에서 상기 제4 연료 공급홀 및 상기 제4 연료 배출홀 중 적어도 하나의 홀의 상부 단부를 둘러싸는 고리 형상을 가질 수 있고, 상기 고온용 밀봉재는 상기 지지 플레이트의 상부면과 상기 하부 엔드 플레이트이 하부면 사이에서 상기 압축 밀봉재의 내부에 배치되고 상기 적어도 하나의 홀의 상부 단부를 둘러싸도록 배치된 고리 형상의 내부 고온용 밀봉재를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 고온용 밀봉재는 상기 지지 플레이트의 상부면과 상기 하부 엔드 플레이트이 하부면 사이에서 상기 압축 밀봉재를 둘러싸도록 배치된 외부 고온용 밀봉재를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 내부 고온용 밀봉재 및 상기 외부 고온용 밀봉재 각각은 글라스 재료 또는 글라스와 세라믹의 복합체 재료로 형성될 수 있고, 상기 압축 밀봉재는 세라믹 재료로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 압축 밀봉재는 상기 제4 연료 공급홀 및 상기 제4 연료 배출홀의 상부 단부들을 각각 둘러싸도록 배치된 제1 및 제2 압축 밀봉재를 포함할 수 있고, 상기 내부 고온용 밀봉재는 상기 제1 및 제2 압축 밀봉재의 내부에 각각 배치된 제1 및 제2 내부 고온용 밀봉재를 포함할 수 있으며, 상기 외부 고온용 밀봉재는 상기 제1 및 제2 압축 밀봉재를 각각 둘러싸도록 배치된 제1 및 제2 외부 고온용 밀봉재를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 지지 플레이트의 상부면에는 상기 하부 엔드 플레이트의 적어도 일부가 삽입되는 제1 유동방지홈이 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 지지 플레이트의 상부면은 가장자리 부분을 따라 형성된 제1 영역 및 상기 제1 영역에 의해 둘러싸이고, 상기 제1 영역에 비해 단차지게 돌출된 제2 영역을 포함할 수 있고, 상기 하부 엔드 플레이트의 하부면에는 상기 제2 영역이 삽입될 수 있는 제2 유동방지홈이 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 밀봉 부재는 상기 제2 영역과 상기 제2 유동방지홈의 바닥면 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 고체산화물 연료전지 구조체에 따르면, 상기 밀봉 부재가 고온용 밀봉재와 함께 압축 밀봉재를 포함하므로, 고온용 밀봉재의 도포 면적을 감소시키더라도 안정적으로 연료 및 공기의 기밀성을 확보할 수 있다. 따라서 상기 고온용 밀봉재의 도포 면적을 감소시킬 수 있고, 그 결과 상온에서 상기 연료전지 스택을 상기 지지체로부터 용이하게 탈부착할 수 있다.
그리고, 유리는 고온용 밀봉재로써 저온에서는 기밀성이 저하되는 문제점이 있는데, 본 발명의 연료전지 구조체에 있어서는 상기 밀봉 부재가 고온용 밀봉재와 함께 압축 밀봉재를 포함하므로, 고온용 밀봉재의 용융 온도 미만의 상대적으로 저온에서도 연료 및 공기를 안정적으로 밀봉할 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 설치와 해체 및 스택 교체 공정을 단순화할 수 있고, 상기 지지체와 연료전지 스택 사이에 밀봉 부재를 배치시킴으로써 안정적으로 연료 및 공기를 밀봉할 수 있다.
또한, 연료전지 스택의 상부 엔드 플레이와 하부 엔드 플레이트에 체결 영역부를 형성하고, 체결기구를 통해 상기 연료전지 스택과 지지체를 결합함으로써, 이동시 상기 연료전지 스택이 이동함으로써 상기 연료전지 스택과 상기 지지체 사이에 배치된 밀봉 부재가 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 지지체의 상부면에 상기 연료전지 스택을 수용 및 고정할 수 있는 제1 유동방지홈을 형성하거나 상기 하부 엔드 플레이트의 하부면에 상기 지지체의 돌출된 영역이 삽입 고정될 수 있는 제2 유동방지홈을 형성함으로써, 이동시 상기 연료전지 스택이 상기 지지체에 대해 유동하는 것을 더욱 안정적으로 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 구조체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 구조체를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 밀봉 부재를 설명하기 위한 부분 평면도이다.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 연료전지 스택의 단면도이다.
도 5는 연료전지 스택의 상부 엔드 플레이트 및 하부 엔드 플레이트를 설명하기 위한 평면도이다.
도 6은 지지체와 연료전지 스택 사이의 밀봉 구조의 일 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 구조체를 설명하기 위한 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 구조체를 설명하기 위한 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 밀봉 부재를 설명하기 위한 부분 평면도이고, 도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 연료전지 스택의 단면도이고, 도 5는 연료전지 스택의 상부 엔드 플레이트 및 하부 엔드 플레이트를 설명하기 위한 평면도이고, 도 6은 지지체와 연료전지 스택 사이의 밀봉 구조의 일 실시예를 설명하기 위한 단면도이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 구조체를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1 내지 도 7을 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 단전지들(1111)을 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(1113A, 1113B, 1113C)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. 이하 설명의 편의를 위해, 상기 단전지(1111)가 고체산화물 연료전지의 평판형 단전지인 것을 예로 들어 설명한다.
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(1113A, 1113B, 1113C)은 상기 단전지들(1111)을 서로 전기적으로 연결하고, 상기 단전지들(1111)에 의해 생성된 전기 에너지를 외부로 전달할 수 있다. 이를 위하여 상기 연결재들(1113A, 1113B, 1113C)은 도전성 세라믹 또는 금속 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 연결재들(1113A, 1113B, 1113C)은 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 LaCrO3 계열의 세라믹 재질 또는 철(Fe)-크롬(Cr) 계열의 금속 재질로 형성될 수 있다. 그리고 상기 연결재들(1113A, 1113B, 1113C) 각각은 상기 셀프레임(1112)과 동일한 형상의 테두리를 갖는 사각 플레이트 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연결재들(1113A, 1113B, 1113C)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.
상기 연결재들(1113A, 1113B, 1113C) 중 적어도 상기 제2 연결재들(1113B) 및 상기 제3 연결재(1113C) 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. 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 형성될 수도 있고, 형성되지 않을 수도 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, 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 상부 엔드 플레이트(1120)는 제1 가압 플레이트부(1121) 및 복수의 제1 체결 영역부(1122)를 포함할 수 있고, 상기 하부 엔드 플레이트(1130)는 제2 가압 플레이트부(1131) 및 복수의 제2 체결 영역부(1132)를 포함할 수 있다.
상기 제1 가압 플레이트부(1121)와 상기 제2 가압 플레이트부(1131)는 상기 단전지 적층 구조체(1110)의 상부 및 하부에 각각 배치되어 이를 가압할 수 있고, 상기 셀 프레임(1112)의 테두리와 동일한 형상의 플레이트 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 가압 플레이트부(1121)와 상기 제2 가압 플레이트부(1131)에는 상기 단전지 적층 구조체(1110)와 상기 상부 엔드 플레이트(1120) 및 상기 하부 엔드 플레이트(1130)를 결합시키기 위한 제1 체결기구(미도시)가 관통하는 제1 체결홀(1121a, 1131a)이 형성될 수 있다.
한편, 일 실시예에 있어서, 상기 하부 엔드 플레이트(1130)의 제2 가압 플레이트부(1131)에는 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. 그리고 상기 제3 연료 공급홀(130-1a) 및 제3 연료 배출홀(130-1b)은 상기 연료 유로의 입구 및 출구를 각각 형성하고, 상기 제3 공기 공급홀(130-2a) 및 상기 제3 공기 배출홀(130-2b)은 상기 공기 유로의 입구 및 출구를 각각 형성한다.
상기 제1 체결 영역부(1122)는 상기 제1 가압 플레이트부(1121)의 측면들 중 일부로부터 수평 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있고, 상기 제2 체결 영역부(1132)는 상기 제2 가압 플레이트부(1131)의 측면들 중 일부로부터 수평 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 체결 영역부(1122, 1132)에는 상기 연료전지 스택(1100)을 상기 지지체(1200)에 체결시키기 위한 제2 체결기구(1500)가 관통하는 제2 체결홀(1122a, 1132a)이 형성될 수 있다. 상기 제1 체결 영역부(1122) 및 상기 제2 체결 영역부(1132)는 상기 제1 가압 플레이트부(1121) 및 상기 제2 가압 플레이트부(1131)의 측면들로부터 수평 방향으로 돌출되도록 형성되므로, 상기 제1 체결 영역부(1122) 및 상기 제2 체결 영역부(1132)는 상기 단전지 적층 구조체(1110)와 중첩하지 않고, 그 결과, 상기 제2 체결기구(1500)는 상기 단전지 적층 구조체(1110)의 외부에 배치될 수 있다.
한편, 도 5에는 상기 제1 가압 플레이트부(1121) 및 상기 제2 가압 플레이트부(1131)의 4개의 측면들로부터 각각 돌출된 4개의 제1 체결 영역부(1122) 및 4개의 제2 체결 영역부(1132)가 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 상기 상부 엔드 플레이트(1120) 및 상기 하부 엔드 플레이트(1130)는 상기 제1 가압 플레이트부(1121) 및 상기 제2 가압 플레이트부(1131)의 서로 대향하는 2개의 측면들로부터 각각 돌출된 2개의 제1 체결 영역부(1122) 및 2개의 제2 체결 영역부(1132)를 각각 포함할 수 있다.
한편, 도 2에는 상부 엔드 플레이트(1120) 및 상기 하부 엔드 플레이트(1130) 모두가 상기 체결 영역부(1122, 1132)를 구비하는 것으로 도시되어 있으나, 상기 상부 엔드 플레이트(1120)와 하부 엔드 플레이(1130) 중 하나만이 상기 지지체(1200)와 결합하기 위한 상기 체결 영역부(1122, 1132)를 구비할 수도 있다. 예를 들면, 상기 하부 엔드 플레이트(1130)만이 상기 체결 영역부(1132)를 구비할 수 있다.
상기 지지체(1200)는 상기 하나 이상의 연료전지 스택(1100)의 하부에 배치되어 이를 지지할 수 있다. 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.
일 실시예에 있어서, 상기 지지체(1200)에는 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 하부면에 결합되어 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, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 지지 플레이트(1210)의 상부면에는 상기 연료전지 스택(1100)의 일부, 예를 들면, 하부 엔드 플레이트(1130)의 적어도 일부가 삽입되어 고정될 수 있는 제1 유동방지홈(1211)이 형성될 수 있다. 상기 제1 유동방지홈(1211)은 평탄한 바닥면을 구비할 수 있고, 상기 하부 엔드 플레이트(1130)의 테두리와 동일 유사한 평면 형상 및 크기를 가질 수 있으며, 상기 하부 엔드 플레이트(1130)의 적어도 일부가 삽입될 수 있을 정도의 깊이를 가질 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 지지 플레이트(1210)의 상부면은 가장자리 부분을 따라 형성된 제1 영역(1210a) 및 상기 제1 영역(1210a)에 의해 둘러싸이고, 상기 제1 영역(1210a)에 비해 단차지게 돌출된 제2 영역(1210b)을 포함할 수 있고, 상기 연료전지 스택(1100)의 하부 엔드 플레이트(1130) 하부면에는 상기 지지 플레이트(1210)의 제2 영역(1210b)이 삽입될 수 있는 제2 유동방지홈(1130a)이 형성될 수 있다. 상기 제2 유동방지홈(1130a)은 평탄한 바닥면을 구비할 수 있고, 상기 제2 영역(1210b)과 동일 유사한 평면 형상 및 크기를 가질 수 있으며, 상기 제1 영역(1210a)과 상기 제2 영역(1210b)의 높이차이에 대응되는 깊이를 가질 수 있다.
한편, 이 경우, 상기 밀봉 부재(1300)는 상기 제2 영역(1210b)과 상기 제2 유동방지홈(1130a)의 바닥면 사이에 배치될 수 있다.
상기 연료전지 스택(1100)이 상기 지지체(1200)에 체결된 상태에서 이동시, 상기 지지체(1200)에 대해 상기 연료전지 스택(1100)이 유동하게 되면, 상기 연료전지 스택(1100)과 상기 지지체(1200) 사이에 배치된 밀봉 부재(1300)가 파손되는 문제점이 발생하는데, 상기 지지체(1200)의 지지 플레이트(1210)에 상기 제1 유동방지홈(1211)을 형성하거나 상기 하부 엔드 플레이트(1130)의 하부면에 상기 제2 유동 방지홈(1130a)을 형성하는 경우, 이와 같은 문제점을 해결할 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 배치되고 상대적으로 고온의 융용 온도를 갖는 세라믹 재질로 형성된 고리 형상의 압축 밀봉재(1310), 상기 압축 밀봉재(1310)을 사이에 두고 서로 이격된 위치에서 상기 홀의 상부 단부를 둘러싸도록 배치된 고리 형상의 내부 고온용 밀봉재(1320) 및 외부 고온용 밀봉재(1330)를 포함할 수 있다.
상기 압축 밀봉재(1310)는 고체산화물 연료전지의 작동 온도 이상의 용융 온도를 갖는 세라믹 재료, 예를 들면, 마이카(mica) 등으로 형성될 수 있고, 편평한 상부면 및 하부면을 갖는 고리 형상을 가질 수 있다. 그리고 상기 내부 및 외부 고온용 밀봉재(1320, 1330)는 상기 압출 밀봉재(1310)보다 용융 온도가 낮은 글라스 재료, 글라스와 세라믹의 복합체 재료 등으로 형성될 수 있고, 각각 편평한 상부면과 하부면을 갖는 고리 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 내부 및 외부 고온용 밀봉재(1320, 1330)의 높이는 상기 압축 밀봉재의 높이보다 클 수 있고, 이 경우, 상기 지지 플레이트(1210)의 상부면 및 상기 하부 엔드 플레이트(1130)의 하부면 중 하나에는 상기 내부 및 외부 고온용 밀봉재(1320, 1330)의 일 단부들이 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 각각 형성될 수 있다.
일 실시예로, 상기 압축 밀봉재(1310)는 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 압축 밀봉재(1310a, 1310b, 1310c, 1310d)를 포함할 수 있고, 상기 내부 고온용 밀봉재(1320)는 상기 제1 내지 제4 압축 밀봉재(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 압축 밀봉재(1310a, 1310b, 1310c, 1310d)를 각각 둘러싸도록 배치된 제1 내지 제4 외부 고온용 밀봉재(1330a, 1330b, 1330c, 1330d)를 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제4 압축 밀봉재(1310a, 1310b, 1310c, 1301d) 각각의 단면적은 상기 제1 내지 제4 내부 고온용 밀봉재(1320a, 1320b, 1320c, 1320d) 및 상기 제1 내지 제4 외부 고온용 밀봉재(1330a, 1330b, 1330c, 1330d) 각각의 단면적보다 클 수 있다.
한편, 상기 제1 내지 제4 압축 밀봉재(1310a, 1310b, 1310c, 1301d)의 높이가 상기 제1 내지 제4 내부 고온용 밀봉재(1320a, 1320b, 1320c, 1320d) 및 상기 제1 내지 제4 외부 고온용 밀봉재(1330a, 1330b, 1330c, 1330d)의 높이보다 큰 경우, 상기 지지 플레이트(1210)의 상부면 및 상기 하부 엔드 플레이트(1130)의 하부면 중 하나에는 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 내부 고온용 밀봉재(1320a, 1320b, 1320c, 1320d)의 단부들이 각각 삽입되는 제1 내지 제4 내부 삽입홈(12-1a, 12-1b, 12-2a, 12-2b) 및 상기 제1 내지 제4 내부 삽입홈(12-1a, 12-1b, 12-2a, 12-2b)을 각각 둘러싸도록 형성되고 상기 제1 내지 제4 외부 고온용 밀봉재(1330a, 1330b, 1330c, 1330d)의 단부들이 각각 삽입되는 제1 내지 제4 외부 삽입홈(13-1a, 13-1b, 13-2a, 13-2b)이 형성될 수 있다. 상기 제1 내지 제4 내부 삽입홈(12-1a, 12-1b, 12-2a, 12-2b) 및 상기 제1 내지 제4 외부 삽입홈(13-1a, 13-1b, 13-2a, 13-2b)의 바닥면은 상기 제1 내지 제4 내부 고온용 밀봉재(1320a, 1320b, 1320c, 1320d) 및 상기 제1 내지 제4 외부 고온용 밀봉재(1330a, 1330b, 1330c, 1330d)의 단부면과 동일하게 편평할 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 있어서는 상기 밀봉 부재가 고온용 밀봉재와 함께 압축 밀봉재를 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.
그리고, 유리는 고온용 밀봉재로써 저온에서는 기밀성이 저하되는 문제점이 있는데, 본 발명의 연료전지 구조체에 있어서는 상기 밀봉 부재가 고온용 밀봉재와 함께 압축 밀봉재를 포함하므로, 고온용 밀봉재의 용융 온도 미만의 상대적으로 저온에서도 연료 및 공기를 안정적으로 밀봉할 수 있다.
또한, 연료전지 스택의 상부 엔드 플레이와 하부 엔드 플레이트에 체결 영역부를 형성하고, 체결기구를 통해 상기 연료전지 스택과 지지체를 결합함으로써, 이동시 상기 연료전지 스택이 이동함으로써 상기 연료전지 스택과 상기 지지체 사이에 배치된 밀봉 부재가 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 지지체의 상부면에 상기 연료전지 스택을 수용 및 고정할 수 있는 제1 유동방지홈을 형성하거나 상기 하부 엔드 플레이트의 하부면에 상기 지지체의 돌출된 영역이 삽입 고정될 수 있는 제2 유동방지홈을 형성함으로써, 이동시 상기 연료전지 스택이 상기 지지체에 대해 유동하는 것을 더욱 안정적으로 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.

Claims (9)

  1. 제1 가압 플레이트부 및 상기 제1 가압 플레이트부의 측면들 중 하나 이상으로부터 수평 방향으로 돌출된 제1 체결 영역부를 구비하는 상부 엔드 플레이트; 상기 제1 가압 플레이트부와 대향하도록 배치된 제2 가압 플레이트부 및 상기 제2 가압 플레이트부의 측면들 중 하나 이상으로부터 수평 방향으로 돌출된 제2 체결 영역부를 구비하는 하부 엔드 플레이트; 및 상기 제1 가압 플레이트부와 상기 제2 가압 플레이트부 사이에 배치된 단전지 적층 구조체를 포함하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택의 하부에 배치되어 이를 지지하는 지지 플레이트를 포함하는 지지체; 및
    상기 제1 체결 영역부, 상기 제2 체결 영역부 및 상기 지지 플레이트를 관통하여 상기 연료전지 스택과 상기 지지체를 체결하는 체결기구를 포함하는, 연료전지 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지 플레이트에는 상기 연료전지 스택에 연료를 공급하는 연료 공급관과 상기 연료전지 스택 내부의 연료 유로의 입구를 연결하는 제4 연료 공급홀 및 상기 연료전지 스택으로부터 연료를 배출하는 연료 배출관과 상기 연료 유로의 출구를 연결하는 제4 연료 배출홀을 구비하고,
    상기 연료전지 구조체는 상기 연료전지 스택과 상기 지지 플레이트 사이에 배치되고, 상기 제4 연료 공급홀과 상기 연료 유로의 입구 사이 및 상기 제4 연료 배출홀과 상기 연료 유로의 출구 사이를 밀봉하는 고온용 밀봉재 및 압축 밀봉재를 포함하는 밀봉 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압축 밀봉재는 상기 지지 플레이트의 상부면과 상기 하부 엔드 플레이트이 하부면 사이에서 상기 제4 연료 공급홀 및 상기 제4 연료 배출홀 중 적어도 하나의 홀의 상부 단부를 둘러싸는 고리 형상을 갖고,
    상기 고온용 밀봉재는 상기 지지 플레이트의 상부면과 상기 하부 엔드 플레이트이 하부면 사이에서 상기 압축 밀봉재의 내부에 배치되고 상기 적어도 하나의 홀의 상부 단부를 둘러싸도록 배치된 고리 형상의 내부 고온용 밀봉재를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고온용 밀봉재는 상기 지지 플레이트의 상부면과 상기 하부 엔드 플레이트이 하부면 사이에서 상기 압축 밀봉재를 둘러싸도록 배치된 외부 고온용 밀봉재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 내부 고온용 밀봉재 및 상기 외부 고온용 밀봉재 각각은 글라스 재료 또는 글라스와 세라믹의 복합체 재료로 형성되고,
    상기 압축 밀봉재는 세라믹 재료로 형성된 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 압축 밀봉재는 상기 제4 연료 공급홀 및 상기 제4 연료 배출홀의 상부 단부들을 각각 둘러싸도록 배치된 제1 및 제2 압축 밀봉재를 포함하고,
    상기 내부 고온용 밀봉재는 상기 제1 및 제2 압축 밀봉재의 내부에 각각 배치된 제1 및 제2 내부 고온용 밀봉재를 포함하며,
    상기 외부 고온용 밀봉재는 상기 제1 및 제2 압축 밀봉재를 각각 둘러싸도록 배치된 제1 및 제2 외부 고온용 밀봉재를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지지 플레이트의 상부면에는 상기 하부 엔드 플레이트의 적어도 일부가 삽입되는 제1 유동방지홈이 형성된 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 지지 플레이트의 상부면은 가장자리 부분을 따라 형성된 제1 영역 및 상기 제1 영역에 의해 둘러싸이고, 상기 제1 영역에 비해 단차지게 돌출된 제2 영역을 포함하고,
    상기 하부 엔드 플레이트의 하부면에는 상기 제2 영역이 삽입될 수 있는 제2 유동방지홈이 형성된 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 밀봉 부재는 상기 제2 영역과 상기 제2 유동방지홈의 바닥면 사이에 배치된 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
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