KR101884086B1 - 연료전지 스택유닛 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

공기 유입구가 형성된 제1 가스 분리판, 상기 제1 가스 분리판 하측에 적층되며, 공기 유입구가 형성된 제1 실링 가스켓(first sealing gasket), 상기 제1 실링 가스켓 하측에 적층되며 중심부에 연료전지용 단전지가 수용되고, 상기 중심부의 외주변에 공기 유입구가 형성된 금속지지체(metal support), 상기 금속지지체 하측에 적층되며, 공기 유입구가 형성된 제2 실링 가스켓(second sealing gasket), 및 상기 제2 실링 가스켓 하측에 적층되는 제2 가스 분리판을 포함하되, 상기 제1 가스 분리판의 공기 유입구로부터 유입된 공기는, 상기 제1 실링 가스켓, 상기 금속지지체, 및 상기 제2 실링 가스켓 각각에 형성된 공기 유입구를 순차적으로 통과하여, 상기 단전지 하측과 상기 제2 가스 분리판 상측의 적층 경계를 따라 상기 단전지의 일 측에서 타 측으로 유동하며, 상기 제2 실링 가스켓은, 상기 단전지의 타 측으로 유동한 공기를 외부로 배출하도록 상기 제2 실링 가스켓의 테두리에서 내측으로 인입하는 컷-오프(cut-off) 구조를 가지는 연료전지 스택유닛이 제공될 수 있다.

Description

연료전지 스택유닛 및 이를 포함하는 연료전지 스택{Fuel cell stack unit and fuel cell stack comprising same}
본 발명은 연료전지용 스택유닛 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 누설 가스에 의한 연료전지 스택유닛의 발전 효율 감소를 최소화한 연료전지 스택유닛 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관련된 것이다.
연료전지는 연료와 산소가 전기화학적으로 반응함에 따른 자유에너지의 변화를 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 이온 전도성 산화물을 전해질로 사용하는 고체산화물 연료전지는 약 600~1000의 고온에서 작동되어 전기에너지와 열에너지를 생산함으로써, 에너지 변환효율이 우수한 것으로 알려져 있다. 고온 작동으로 인해 천연가스, 석탄가스 등과 같은 다양한 원료를 연료로 사용할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 고체 전해질과 고체 전극을 사용함으로써, 재료의 부식 및 손실 등과 같은 문제가 없어 장기간 사용할 수 있는 장점이 있다.
고체산화물 연료전지의 단전지 형태는 그 모양에 따라 원통형(Tubular type)과 평판형(Planar type)으로 나눌 수 있으며, 원통형의 경우 가스의 분리를 쉽게 하는 장점이 있으나, 단전지와 단전지를 이어주는 전류집전체의 형태에 의해 저항이 높아져 에너지의 손실이 많은 단점이 있다. 평판형은 전극의 전체를 전류집전체와 연결할 수 있는 구조상 특성 때문에 에너지의 손실이 적으나, 밀봉이 어려운 단점이 있다.
평판형 고체산화물 연료전지의 경우, 발생되는 전기에너지를 증가시키기 위해 여러 개의 단전지를 직렬로 연결하여 사용하게 된다. 이것을 스택(stack)이라고 하며, 스택은 단전지와 단전지의 양극과 음극으로 각각의 가스를 혼합되지 않게 공급하기 위해 가스분리판, 그리고 밀봉재 등으로 구성되어 있다. 밀봉재는 압력을 가하여 가스의 혼합을 막아주는 가스켓의 형태와 유리를 이용하여 밀봉을 해주는 형태, 그리고 그 두 가지를 이용하는 등의 방법으로 가스의 혼합을 막는다.
그러나 장시간의 운전 시, 밀봉제의 열화에 의해 미세한 가스의 누설이 발생할 수 있다. 가스의 누설은 음극으로 사용하는 금속촉매의 재산화를 발생시켜 미세한 크랙과 촉매특성을 감소시키게 하고, 양극에서는 수분의 증가로 인해 산화물 촉매의 미세구조 변화 등에 의해 촉매 특성이 저하될 수 있다.
이에 본 발명자들은, 누설되는 가스로 인한 고체산화물 연료전지의 불량 및 발전 효율의 감소 문제를 해결할 수 있는 방법을 발명하게 되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 누설 가스로 인한 연료전지의 불량 문제를 감소시키는 연료전지 스택유닛, 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 발전 효율이 향상된 연료전지 스택유닛, 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 신뢰성이 향상된 연료전지 스택유닛, 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 수명 특성이 향상된 연료전지 스택유닛, 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 연료전지 스택유닛을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지 스택 유닛은, 공기 유입구가 형성된 제1 가스 분리판, 상기 제1 가스 분리판 하측에 적층되며, 공기 유입구가 형성된 제1 실링 가스켓(first sealing gasket), 상기 제1 실링 가스켓 하측에 적층되며 중심부에 연료전지용 단전지가 수용되고, 상기 중심부의 외주변에 공기 유입구가 형성된 지지체(support), 상기 지지체 하측에 적층되며, 공기 유입구가 형성된 제2 실링 가스켓(second sealing gasket), 및 상기 제2 실링 가스켓 하측에 적층되는 제2 가스 분리판을 포함하되, 상기 제1 가스 분리판의 공기 유입구로부터 유입된 공기는, 상기 제1 실링 가스켓, 상기 지지체, 및 상기 제2 실링 가스켓 각각에 형성된 공기 유입구를 순차적으로 통과하여, 상기 단전지 하측과 상기 제2 가스 분리판 상측의 적층 경계를 따라 상기 단전지의 일 측에서 타 측으로 유동하며, 상기 제2 실링 가스켓은, 상기 단전지의 타 측으로 유동한 공기를 외부로 배출하도록 상기 제2 실링 가스켓의 테두리에서 내측으로 인입하는 컷-오프(cut-off) 구조를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 가스 분리판, 상기 제1 실링 가스켓, 상기 지지체, 및 상기 제2 실링 가스켓에 형성된 공기 유입구는, 상기 제1 가스 분리판, 상기 제1 실링 가스켓, 상기 지지체, 및 상기 제2 실링 가스켓의 적층 방향으로 연통할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지 스택유닛은, 상기 단전지의 타 측으로 유동한 공기가 상기 컷-오프 구조를 통하여 외부로 배출됨으로써, 상기 단전지 주변을 유동하는 공기의 압력이 상기 단전지 주변을 유동하는 연료의 압력보다 낮을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 컷-오프 구조는, 상기 단전지의 타 측에 인접한 상기 제2 실링 가스켓 테두리의 적어도 일부가 내측으로 인입된 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 컷-오프 구조는, 상기 단전지의 타 측에 인접한 상기 제2 실링 가스켓의 일 변 전체가 내측으로 인입된 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 실링 가스켓의 상기 컷-오프 구조는 상기 제2 실링 가스켓의 공기 유출구를 포함하고, 상기 제1 가스 분리판 및 상기 지지체는 상기 제2 실링 가스켓의 공기 유출구와 적층 방향으로 연통할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 단전지의 타 측으로 유동한 공기를 외부로 배출하도록 상기 제1 실링 가스켓 및 상기 지지체 중 적어도 하나는, 상기 제2 실링 가스켓의 상기 컷-오프 구조와 동일한 형상의 상기 컷-오프 구조를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 실링 가스켓, 상기 지지체, 상기 제2 실링 가스켓, 및 상기 제2 가스 분리판은, 상기 단전지 상측과 상기 제1 가스 분리판 하측의 적층 경계로 연료를 공급하도록, 적층 방향으로 연통하는 연료 유입구 및 상기 단전지 상측과 상기 제1 가스 분리판 하측의 적층 경계를 유동한 연료를 배출하도록, 적층 방향으로 연통하는 연료 유출구를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 단전지는, 전해질을 중심으로 상기 제1 가스 분리판 방향으로 연료극이 형성되고, 상기 제2 가스 분리판 방향으로 공기극이 형성되며, 상기 단전지 하측과 상기 제2 가스 분리판 상측의 적층 경계를 따라 유동한 공기는 상기 공기극으로 공급될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지용 단전지의 공기극은, LSCF(Lanthanum strontium cobalt ferrite)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 가스 분리판은, 상기 제1 가스 분리판에 대향하는 제1 면 상에, 상기 제2 실링 가스켓의 공기 유입구로부터 유입된 공기를 상기 단전지의 일 측에서 타 측으로 가이드 하도록 상기 단전지의 일 측에 인접하는 제1 채널 및 상기 제1 채널과 이격되어 상기 단전지의 타 측에 인접하는 제2 채널을 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 또 다른 연료전지 스택유닛을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 또 다른 연료전지 스택유닛은, 연료 유로를 제공하는 제2 면을 포함하는 제1 가스 분리판, 상기 제1 가스 분리판의 하측에 적층된 제1 실링 가스켓(first sealing gasket), 상기 제1 실링 가스켓 하측에 적층되며 중심부에 연료전지용 단전지가 수용된 지지체(support), 상기 지지체 하측에 적층된 제2 실링 가스켓(second sealing gasket), 및 상기 제2 실링 가스켓 하측에 적층되고, 공기 유로를 제공하는 제1 면을 포함하는 제2 가스 분리판을 포함하고, 상기 제1 가스분리판, 상기 제1 및 제2 실링 가스켓, 및 상기 지지체는, 상기 제1 가스분리판, 상기 제1 및 제2 실링 가스켓, 및 상기 지지체의 적층 방향으로 공기 유로를 제공하는 공기 유입구 및 공기 배출구와, 연료 유로를 제공하는 연료 유입구 및 연료 배출구를 포함하되, 상기 공기 유로 내부의 공기압력은 상기 연료 유로 내부의 연료압력 보다 낮도록 구성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 가스 분리판의 공기 유입구로부터 유입된 공기는, 상기 제1 실링 가스켓, 상기 지지체, 상기 제2 실링 가스켓 각각에 형성된 공기 유입구를 순차적으로 통과하여, 상기 단전지 하측과 상기 제2 가스 분리판 상측의 적층 경계를 따라 상기 단전지의 일 측에서 타 측으로 유동하며, 상기 제2 실링 가스켓은, 상기 단전지의 타 측으로 유동한 공기를 외부로 배출하도록 상기 단전지의 타 측에 인접한 상기 제2 실링 가스켓 테두리의 적어도 일부가 내측으로 인입된 컷-오프 구조를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 단전지는, 전해질을 중심으로 상기 제1 가스 분리판 방향으로 연료극이 형성되고, 상기 제2 가스 분리판 방향으로 공기극이 형성되며, 상기 공기극은, LSCF(Lanthanum strontium cobalt ferrite)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛은, 중심부에 단전지가 수용되는 제1 실링 가스켓, 상기 제1 실링 가스켓 상에 적층되며, 상기 단전지의 주변부를 덮으며, 상기 단전지 상측을 개구하는 제2-1 가스유도채널이 형성된 제2 실링 가스켓 및 상기 제2 실링 가스켓의 상층에 적층되며, 상기 제2-1 가스유도채널과 적층방향으로 연통하는 제3-1 가스유도채널 및 상기 제3-1 가스유도채널의 가스를 외부로 배출하는 제3-3 가스유도채널을 포함하는 제3 실링 가스켓을 포함하여 이루어질 수 잇다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 제2 실링 가스켓은, 상기 단전지의 표면 보다 작은 넓이를 개구하는 개구부를 더 포함하며, 상기 제2-1 가스유도채널은, 상기 개구부와 이격하여 형성될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 제2-1 가스유도채널은, 상기 개구부를 둘러싸는 폐루프 형상을 가질 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 제2 실링 가스켓은, 상기 제2-1 가스유도채널과 이격하는 제2-2 가스유도채널을 더 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 제2-2 가스유도채널은, 상기 제3-3 가스유도채널과 적층방향으로 연통할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 제3 실링 가스켓은, 상기 제3-1 가스유도채널과 상기 제3-2 가스유도채널을 상기 제3 실링 가스켓의 면 방향으로 연결하는 제3-2 가스유도채널을 더 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 실링 가스켓의 하측에 적층되며, 상기 단전지의 면 방향으로 공기 유동을 제공하는 채널이 형성된 제1 가스 분리판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛은, 중심부에 개구부가 형성되며, 상기 개구부와 이격하여 형성되되, 가스를 외부로 배출하는 가스유도채널이 형성된 제1 실링 가스켓 및 상기 제1 실링 가스켓에 적층되며, 상기 제1 실링 가스켓의 개구부보다 넓은 단전지가 수용되는 제2 실링 가스켓을 포함하되, 상기 제2 실링 가스켓의 개구부는, 상기 제1 실링 가스켓의 가스유도채널과 적층방향으로 연통하도록 연장된 연장 개구부를 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시 예에 따르면, 상기 제2 실링 가스켓에 적층되며, 상기 제1 실링 가스켓의 개구보보다 좁은 크기를 가지는 개구부가 형성된 제3 실링 가스켓을 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 실링 가스켓의 개구부 및 상기 제3 실링 가스켓의 개구부에는 전류집전체가 마련될 수 있다.
또 다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 실링 가스켓의 개구부에 마련된 전류집전체와 상기 제3 실링 가스켓의 개구부에 마련된 전류집전체의 면적은 서로 다를 수 있다.
또 다른 실시 예에 따르면, 상기 단전지의 상면을 지지하는 상기 제3 실링 가스켓과 상기 제3 실링 가스켓의 개구부에 마련된 전류집전체의 면적 비율은, 상기 단전지의 하면을 지지하는 상기 제1 실링 가스켓과 상기 제1 실링 가스켓의 개구부에 마련된 전류집전체의 면적과 서로 다를 수 있다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 연료전지 스택을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 스택은 상술한 연료전지 스택유닛이 연속적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 공기 유입구가 형성된 제1 가스 분리판, 상기 제1 가스 분리판 하측에 적층되며, 공기 유입구가 형성된 제1 실링 가스켓, 상기 제1 실링 가스켓 하측에 적층되며 중심부에 연료전지용 단전지가 수용되고, 상기 중심부의 외주변에 공기 유입구가 형성된 지지체, 상기 지지체 하측에 적층되며, 공기 유입구가 형성된 제2 실링 가스켓, 및 상기 제2 실링 가스켓 하측에 적층되는 제2 가스 분리판을 포함하되, 상기 제1 가스 분리판의 공기 유입구로부터 유입된 공기는, 상기 제1 실링 가스켓, 상기 지지체, 및 상기 제2 실링 가스켓 각각에 형성된 공기 유입구를 순차적으로 통과하여, 상기 단전지 하측과 상기 제2 가스 분리판 상측의 적층 경계를 따라 상기 단전지의 일 측에서 타 측으로 유동하며, 상기 제2 실링 가스켓은, 상기 단전지의 타 측으로 유동한 공기를 외부로 배출하도록 상기 제2 실링 가스켓의 테두리에서 내측으로 인입하는 컷-오프(cut-off) 구조를 가지는 연료전지 스택유닛이 제공될 수 있다.
먼저, 상기 제1 및 제2 실링 가스켓의 상기 공기 및 연료 유로의 사이드에 가스유도채널을 포함할 수 있다. 상기 가스유도채널에 의해, 상기 공기 및 연료 유로를 통해 상기 연료전지용 단전지로 공기 및 연료가 누설되어 상기 연료전지용 단전지의 특성이 저하되는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 상기 연료전지용 단전지의 일 측에서 타 측으로 유동한 공기, 및 공기극에서의 반응 잔존물 예를 들어, 반응 후 남은 저농도의 산소를 포함하는 공기는, 상기 제2 실링 가스켓의 상기 컷-오프 구조를 통해 즉각적으로 외부로 배출될 수 있다. 이에 따라, 상기 연료전지용 단전지의 상기 공기극에 공급되지 않은 공기, 및 상기 공기극에서의 상기 반응 잔존물이 역류하여 상기 연료전지용 단전지의 상기 연료극 및 공기극으로 유입되는 것을 최소화할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 제2 실링 가스켓의 상기 컷-오프 구조를 통해, 상기 연료전지용 단전지의 타 측으로 유동한 공기가 외부로 용이하게 배출됨으로써, 상기 연료전지용 단전지 주변을 유동하는 공기의 압력이 상기 연료전지용 단전지 주변을 유동하는 연료의 압력보다 낮을 수 있다. 다시 말해서, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛에서는, 상기 연료 유로 내부의 연료압력이 상기 공기 유로 내부의 공기압력보다 높을 수 있다. 이에 따라, 공기가 상기 연료 유로를 통해 상기 연료극으로 누설되는 것을 방지되어, 상기 연료극의 니켈이 산화니켈로 재산화되어 상기 연료전지용 단전지에 심각한 불량이 발생되는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛의 상기 공기극에, 연료가 누설되는 경우에도 안정한 상(phase)을 유지하여 전지의 특성을 저하시키지 않는 물질(ex. LSCF)을 사용함으로써, 상기 연료 유로 내부의 연료압력이 상기 공기 유로 내부의 공기압력보다 높은 경우, 연료가 상기 공기극에 누설되어 나타나는 전지의 특성 저하 현상을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 제1 가스분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 가스분리판을 도 1의 A에서 A'방향으로 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 제1 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 금속지지체를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 제2 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 제2 실링 가스켓의 형상을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 제2 가스 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛을 설명하기 위한 분해 사시도를 도시한다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따른 일반적인 구조의 연료전지용 스택유닛을 설명하기 위한 도면들이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛 내 공기 및 연료의 유동을 설명하기 위한 도면들이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛을 포함하는 발전용 연료전지 스택의 적용 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제1 가스 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제1 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제2 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제3 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제4 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제2 가스 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 분해 사시도를 도시한다.
도 23 및 도 24는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛의 가스 배출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 25는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 제1 가스 분리판의 공기극 측을 설명하기 위한 도면이다.
도 26은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 제1 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이다.
도 27은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 제2 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이다.
도 28은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 제3 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이다.
도 29는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 제2 가스 분리판의 연료극측을 설명하기 위한 도면이다.
도 30은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 분해 사시도를 도시한다.
도 31 및 도 32는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛의 가스 배출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상의 모양이나 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 제1 가스분리판을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 가스분리판을 도 1의 A에서 A'방향으로 절단한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 제1 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 금속지지체를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 제2 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 제2 실링 가스켓의 형상을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 제2 가스 분리판을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛을 설명하기 위한 도면이고, 도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따른 일반적인 구조의 연료전지용 스택유닛을 설명하기 위한 도면들이고, 도 12 및 도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛 내 공기 및 연료의 유동을 설명하기 위한 도면들이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛(1000)은, 제1 가스 분리판(first gas separator, 101), 제1 실링 가스켓(first sealing gasket, 200), 금속지지체(metal support, 300), 연료전지용 단전지(400), 제2 실링 가스켓(second sealing gasket, 500), 및 제2 가스 분리판(second gas separator, 102)을 포함할 수 있다.
상기 제1 가스 분리판(101)은, 공기 유로를 제공하는 공기 유입구(air inlet,10) 및 공기 배출구(air outlet, 20)와 연료 유로를 제공하는 연료 유입구(fuel inlet, 30) 및 연료 배출구(fuel outlet, 40)를 포함할 수 있다.
상기 제1 가스 분리판(101)의 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)는, 후술되는, 상기 제1 가스 분리판(101)의 하측(제2 면(101b)) 방향으로 적층되는 상기 제1 실링 가스켓(200) 형성된 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)와 상기 적층 방향으로 연통할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 가스 분리판(101)의 공기 유입구(10)로부터 유입된 공기는, 상기 제1 실링 가스켓(200)에 형성된 공기 유입구(10)를 통과할 수 있다. 또한, 상기 제1 실링 가스켓(200)의 공기 배출구(20)로부터 배출된 공기는 상기 제1 가스 분리판(101)의 공기 배출구(20)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
상기 제1 가스 분리판(101)의 연료 유입구(30) 및 연료 배출구(40)는, 후술되는, 상기 제1 가스 분리판(101)의 하측(제2 면(101b))에 적층되는 상기 제1 실링 가스켓(200) 형성된 연료 유입구(30) 및 연료 배출구(40)와 상기 적층 방향으로 연통할 수 있다. 또한, 상기 제1 가스 분리판(101)의 연료 유입구(30) 및 연료 배출구(40)는, 상기 제2 면(101b) 상에 상기 연료 유로를 제공하는 제3 채널(30a) 및 제4 채널(40a)을 포함할 수 있다.
이에 따라, 후술되는 상기 제1 실링 가스켓(400)의 연료 유입구(30)로부터 유입된 연료는, 상기 제1 가스 분리판(101)의 상기 제3 채널(30a) 및 제4 채널(40a)을 거쳐, 상기 제1 가스 분리판(101)의 연료 배출구(40)로 유동함으로써, 상기 제1 가스 분리판(101)의 상기 제2 면(101b) 상을 유동할 수 있다. 또한, 상기 제1 가스 분리판(101)의 상기 제2 면(101b) 상을 유동하는 연료의 적어도 일부는, 상기 제1 가스 분리판(101) 하측(제2 면(101b))과 후술되는 상기 금속지지체(300) 중심부에 수용된 상기 연료전지용 단전지(400) 상측의 적층 경계를 따라 상기 연료전지용 단전지(400)의 일 측에서 타 측으로 유동하는 동시에, 상기 연료전지용 단전지(400)의 연료극(420)에 공급될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 도 2에서 알 수 있듯이, 상기 3 채널(30a) 및 상기 제4 채널(40a)은 마루(R)와 골(V)이 주기적으로 반복되는 구조를 가질 수 있다. 이 때, 상기 제3 채널(30a) 및 상기 제4 채널(40a)의 마루(R)와 골(V)은 서로 동일한 높이 및 깊이를 가질 수 있다. 이와 달리, 상기 제3 채널(30a)의 상기 마루(R) 및 골(V)의 높이 차이는, 상기 제4 채널(40a)의 상기 마루(R) 및 골(V)의 높이 차이보다 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 제3 채널(30a) 상을 유동하는 연료의 압력이 상기 제4 채널(40a) 상을 유동하는 연료의 압력보다 커, 연료가 상기 제3 채널(30a)에서 상기 제4 채널(40a)로 용이하게 유동할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 제3 채널(30a) 및 상기 제4 채널(40a)은 서로 동일한 길이를 가질 수 있다. 이와 달리, 상기 제3 채널(30a)의 길이는, 상기 제4 채널(40a)의 길이보다 길 수 있다. 이에 따라, 후술되는 상기 제1 실링 가스켓(200)의 연료 유입구(30)로부터 유입된 연료가 상기 제3 채널(30a)에 의해 용이하게 수렴되어, 상기 제4 채널(40a)로 유동할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 가스 분리판(101)의 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)는, 상기 제1 가스 분리판(101)의 상면(101a)(도 1의 반대면) 상에, 상기 공기 유로를 제공하는 제1 채널(10a) 및 제2 채널(20a)을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 가스 분리판(101)의 구조는, 후술되는 상기 제2 가스 분리판(102)과 동일할 수 있다. 상기 제1 가스 분리판(101)의 상기 제1 및 제2 채널(10a, 10b)의 구조 및 기능은, 후술되는 상기 제2 가스 분리판(102)의 설명을 참조하기로 한다.
상기 제1 실링 가스켓(200)은, 상기 제1 가스 분리판(101) 하측(제2 면(101b))에 적층되고, 상기 제1 가스 분리판(101)과 마찬가지로, 상기 공기 유로를 제공하는 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)와 상기 연료 유로를 제공하는 연료 유입구(30) 및 연료 유출구(40)를 포함할 수 있다.
상기 제1 실링 가스켓(200)의 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)는, 후술되는, 상기 제1 실링 가스켓(200)의 하측에 적층되는 상기 금속지지체(300)에 형성된 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)와 상기 적층 방향으로 연통할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 가스 분리판(101)의 공기 유입구(10)로부터 유입된 공기는, 상기 제1 실링 가스켓(200), 후술되는 상기 금속지지체(300) 각각에 형성된 공기 유입구(10)를 순차적으로 통과할 수 있다. 또한, 후술되는 상기 금속지지체(300)의 공기 배출구(20)로부터 배출된 공기는, 상기 제1 실링 가스켓(200) 및 상기 제1 가스 분리판(101)의 공기 배출구(20)를 순차적으로 통과하여 외부로 배출될 수 있다.
상기 제1 실링 가스켓(200)의 연료 유입구(30) 및 연료 배출구(40)는, 후술되는, 상기 제1 실링 가스켓(200)의 하측에 적층되는 상기 금속지지체(300)에 형성된 연료 유입구(30) 및 연료 배출구(40)와 상기 적층 방향으로 연통할 수 있다. 이에 따라, 후술되는 상기 금속지지체(300)의 연료 유입구(30)로부터 유입된 연료는, 상기 제1 실링 가스켓(200)의 연료 유입구(30)를 통과한 후, 상기 제1 가스 분리판(101)의 연료 유입구(30)에 도달되고, 상술된 바와 같이, 상기 제3 및 제4 채널(30a, 40a)을 통해 상기 제2 면(101b) 상을 유동할 수 있다. 상기 제1 가스 분리판(101)의 상기 제2 면(101b) 상을 유동하는 연료의 적어도 일부는, 상기 제1 가스 분리판(101) 하측(제2 면(101b))과 후술되는 상기 금속지지체(300) 중심부에 수용된 상기 연료전지용 단전지(400) 상측의 적층 경계를 따라 상기 연료전지용 단전지(400)의 일 측에서 타 측으로 유동하는 동시에, 상기 연료전지용 단전지(400)의 연료극(420)에 공급될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 실링 가스켓(200)은, 후술되는 상기 금속지지체(300) 중심부에 수용된 상기 연료전지용 단전지(400)와 중첩(overlap)되는 위치에 제1 전류집전부(250)를 포함할 수 있다. 상기 제1 실링 가스켓(200)의 상기 제1 전류집전부(250)에 집전된 전류를 통해, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛(1000)의 이상 유무를 확인할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전류집전부(250)는, 금속 메쉬(metal mesh) 또는 금속 폼(metal foam) 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전류집전부(250)의 크기는, 후술되는 상기 금속지지체(300) 중심부에 수용된 상기 연료전지용 단전지(400)의 크기보다 작을 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 전류집전부(250)의 크기는, 상기 연료전지용 단전지(400)와 동일한 크기를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 제1 전류집전부(250)의 외측 테두리 즉, 상기 제1 실링 가스켓(200)의 내측 테두리와 상기 연료전지용 단전지(400)의 테두리가 중첩될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 실링 가스켓(200) 및 후술되는 상기 금속지지체(300)의 사이의 밀봉 효율이 향상될 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 전류집전부(250)의 크기가 상기 단전지(400) 보다 클 수 있음은 물론이다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 실링 가스켓(200)은, 상기 제1 실링 가스켓(200)의 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20) 사이드에 가스유도채널(270)을 더 포함할 수 있다. 상기 가스유도채널(270)을 통해, 상기 제1 실링 가스켓(200)의 연료 유입구(30) 및 연료 배출구(40)로부터 상기 연료전지용 단전지(400)로 누설되는 연료의 양을 최소화할 수 있다.
상기 금속지지체(300)는, 상기 제1 실링 가스켓(200) 하측에 적층되고, 상기 제1 가스 분리판(101) 및 상기 제1 실링 가스켓(200)과 마찬가지로, 상기 공기 유로를 제공하는 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)와 상기 연료 유로를 제공하는 연료 유입구(30) 및 연료 유출구(40)를 포함할 수 있다.
상기 금속지지체(300)의 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)는, 후술되는, 상기 금속지지체(300)의 하측에 적층되는 상기 제2 실링 가스켓(500)에 형성된 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)와 상기 적층 방향으로 연통할 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 가스 분리판(101)의 공기 유입구(10)로부터 유입된 공기는, 상기 제1 실링 가스켓(200) 및 상기 금속지지체(300), 및 후술되는 상기 제2 실링 가스켓(500) 각각에 형성된 공기 유입구(10)를 순차적으로 통과할 수 있다. 또한, 후술되는 상기 제2 실링 가스켓(500)의 공기 배출구(20)로부터 배출된 공기는, 상기 금속지지체(300), 상기 제1 실링 가스켓(200), 및 상기 제1 가스 분리판(101)의 공기 배출구(20)를 순차적으로 통과하여 외부로 배출될 수 있다.
상기 금속지지체(300)의 연료 유입구(30) 및 연료 배출구(40)는, 후술되는, 상기 금속지지체(300)의 하측에 적층되는 상기 제2 실링 가스켓(500)에 형성된 연료 유입구(30) 및 연료 배출구(40)와 상기 적층 방향으로 연통할 수 있다. 이에 따라, 후술되는 상기 제2 실링 가스켓(500)의 연료 유입구(30)로부터 유입된 연료는, 상기 금속지지체(300) 및 상기 제1 실링 가스켓(200)의 연료 유입구(30)를 통과한 후, 상기 제1 가스 분리판(101)의 연료 유입구(30)에 도달되고, 상술된 바와 같이, 상기 제3 및 제4 채널(30a, 40a)을 통해 상기 제2 면(101b) 상을 유동할 수 있다.
상기 제1 가스 분리판(101)의 상기 제2 면(101b) 상을 유동하는 연료의 적어도 일부는, 상기 제1 가스 분리판(101) 하측(제2 면(101b))과 상기 금속지지체(300) 중심부에 수용된 상기 연료전지용 단전지(400) 상측의 적층 경계를 따라 상기 연료전지용 단전지(400)의 일 측에서 타측으로 유동하는 동시에, 상기 연료전지용 단전지(400)의 연료극(420)에 공급될 수 있다.
상기 연료전지용 단전지(400)는, 상술된 바와 같이, 상기 금속지지체(300) 중심부에 수용될 수 있다. 상기 연료전지용 단전지(400)는, 전해질을 중심으로 상기 제1 가스 분리판(101) 방향으로 상기 연료극(420)이 형성되고, 후술되는 상기 제2 가스 분리판(102) 방향으로 공기극(430)이 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지용 단전지(400)의 상기 공기극(430)은, LSCF(Lanthanum strontium cobalt ferrite)을 포함할 수 있다. 상기 공기극(430)이 LSCF를 포함하는 경우, 연료가 상기 공기극(430)으로 유입되어 상기 공기극(430)에 생성되는 물로 인해 상기 연료전지 스택유닛(1000)의 특성이 저하되는 것을 최소화할 수 있다.
한편, 본 명세서에서 금속지지체는 실링 가스켓으로도 호칭될 수 있다.
상기 제2 실링 가스켓(500)은, 상기 금속지지체(300) 하측에 적층되고, 상기 제1 가스 분리판(101), 상기 실링 가스켓(500), 및 상기 금속지지체(300)와 마찬가지로, 상기 공기 유로를 제공하는 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)와 상기 연료 유로를 제공하는 연료 유입구(30) 및 연료 배출구(40)를 포함할 수 있다.
상기 제2 실링 가스켓(500)의 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)는, 후술되는, 상기 제2 실링 가스켓(500)의 하측에 적층되는 상기 제2 가스 분리판(102)에 형성된 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)와 상기 적층 방향으로 연통할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 가스 분리판(101)의 공기 유입구(10)로부터 유입된 공기는, 상기 제1 실링 가스켓(200), 상기 금속지지체(300), 및 상기 제2 실링 가스켓(500) 각각에 형성된 공기 유입구(10)를 순차적으로 통과한 후, 후술되는 상기 제2 가스 분리판(102)의 공기 유입구(10)에 도달될 수 있다.
또한, 상기 제2 실링 가스켓(500)은, 후술되는 상기 제2 가스 분리판(102)의 공기 배출구(20)로부터 배출된 공기를 외부로 배출하도록 상기 제2 실링 가스켓(500)의 테두리에서 내측으로 인입하는 컷-오프(cut-off) 구조(25)를 포함할 수 있다.
상기 컷-오프 구조(25)는, 상기 제2 실링 가스켓(500)의 공기 배출구(20)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 실링 가스켓(500)의 상기 컷-오프 구조(25)는, 상기 제1 가스 분리판(101), 상기 제1 실링 가스켓(200), 및 상기 금속지지체(300)의 공기 배출구(20)와 상기 적층 방향으로 연통할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 컷-오프 구조(25)는, 상기 연료전지용 단전지(400)의 타 측에 인접한 상기 제2 실링 가스켓(500) 테두리의 적어도 일부가 내측으로 인입된 것을 포함할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 컷-오프 구조(25)는, 상기 연료전지용 단전지(400)의 타 측에 인접한 상기 제2 실링 가스켓(500)의 일 변 전체가 내측으로 인입된 것을 포함할 수 있다.
이와 달리, 상기 제2 실링 가스켓(500)의 공기 유입구(10)는, 상기 제2 실링 가스켓(500)의 테두리에서 일정 간격(g) 이격되어 위치할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 도 6에서 알 수 있듯이, 상기 컷-오프 구조(25)에 의하여 상기 연료전지용 단전지(400)의 좌측 면적과 우측 면적이 동일한 상기 연료전지용 단전지(400)의 중심선(Cell-Center Line, C-CL)이 상기 제2 실링 가스켓(500)의 좌측 면적과 우측 면적이 동일한 상기 제2 실링 가스켓(500)의 중심선(Sealing gasket-Center Line, S-CL)과 일치하지 않을 수 있다. 이는, 상기 제2 실링 가스켓(500)에 포함된 상기 컷-오프 구조(25)로 인해, 상기 제2 실링 가스켓(500)의 좌측 면적과 우측 면적이 동일한 상기 제2 실링 가스켓(500)의 중심선(S-CL)이, 상기 연료전지용 단전지(400)의 좌측 면적과 우측 면적이 동일한 상기 연료전지용 단전지(400)의 중심선(C-CL)보다 상기 컷-오프 구조(25)가 형성되지 않은 방향으로 편향되는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 실링 가스켓(500)은, 상기 금속지지체(300) 중심부에 수용된 상기 연료전지용 단전지(400)와 중첩되는 위치에 제2 전류집전부(550)를 포함할 수 있다. 상기 제2 전류집전부(550) 및 상기 제1 실링 가스켓(200)의 상기 제1 전류집전부(250)에 집전된 전류를 통해, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛(1000)의 이상 유무를 확인할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전류집전부(550)의 크기는 단전지(400)의 크기와 같거나 작을 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전류집전부(550)와 단전지(400)의 크기가 동일한 경우, 상기 제2 전류집전부(550)의 외측 테두리 즉, 상기 제2 실링 가스켓(500)의 내측 테두리와 상기 연료전지용 단전지(400)의 테두리가 서로 중첩되도록 적층될 수 있다. 이와 달리, 상기 제2 전류집전부(550)의 크기가 단전지(400)보다 클 수 있음은 물론이다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전류집전부(250). 연료전지용 단전지(400), 제2 전류집전부(550)가 서로 동일한 크기를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 제1 전류집전부(250). 연료전지용 단전지(400), 제2 전류집전부(500)는 서로 동일한 테두리 라인을 가지도록 적층될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전류집전부(250)를 포함한 제1 실링 가스켓(200), 연료전지용 단전지(400), 제2 전류집전부(550)를 포함한 제2 실링 가스켓(500) 사이의 밀봉 효율이 향상될 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 실링 가스켓(500)은, 상기 제2 실링 가스켓(500)의 연료 유입구(30) 및 연료 배출구(40) 사이드에 가스유도채널(570)을 더 포함할 수 있다. 상기 가스유도채널(570)을 통해, 상기 제2 실링 가스켓(500)의 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)로부터 상기 연료전지용 단전지(400)의 음극으로 누설되는 공기의 양을 최소화할 수 있다.
상기 제2 가스 분리판(102)은, 상기 제2 실링 가스켓(500) 하측에 적층되고, 상기 제1 가스 분리판(101), 상기 실링 가스켓(500), 상기 금속지지체(300), 및 상기 제2 실링 가스켓(500)과 마찬가지로, 상기 공기 유로를 제공하는 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)와 상기 연료 유로를 제공하는 연료 유입구(30) 및 연료 배출구(40)를 포함할 수 있다.
상기 제2 가스 분리판(102)의 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)는, 상술된 바와 같이, 상기 제2 가스 분리판(102)의 제1 면(102a) 상에 적층된 상기 제2 실링 가스켓(500)의 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)와 상기 적층 방향으로 연통할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 가스 분리판(101)의 공기 유입구(10)로부터 유입된 공기는, 상기 제1 실링 가스켓(200), 상기 금속지지체(300), 및 상기 제2 실링 가스켓(500) 각각에 형성된 공기 유입구(10)를 순차적으로 통과한 후, 상기 제2 가스 분리판(102)의 공기 유입구(10)에 도달될 수 있다.
상기 제2 가스 분리판(102)의 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)는, 상기 제1 면(102a) 상에, 공기 유로를 제공하는 제1 채널(10a) 및 제2 채널(20a)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 가스 분리판(101)의 공기 유입구(10)로부터 유입되어, 상기 제1 실링 가스켓(200), 상기 금속지지체(300), 및 상기 제2 실링 가스켓(500) 각각에 형성된 공기 유입구(30)를 순차적으로 통과한 공기는, 상기 제2 가스 분리판(102)의 공기 유입구(10)에 도달될 수 있다. 상기 제2 가스 분리판(102)의 공기 유입구(10)에 도달된 공기는, 상기 제1 채널(10a) 및 제2 채널(20a)을 거쳐, 상기 제2 가스 분리판(102)의 공기 배출구(20)로 유동함으로써, 상기 제2 가스 분리판(102)의 상기 제1 면(102a) 상을 유동할 수 있다.
또한, 상기 제2 가스 분리판(102)의 상기 제1 면(102a) 상을 유동하는 공기의 적어도 일부는, 상기 제2 가스 분리판(102) 상측(제1 면(102a))과 상기 금속지지체(300) 중심부에 수용된 상기 연료전지용 단전지(400) 하측의 적층 경계를 따라 상기 연료전지용 단전지(400)의 타 측에서 일 측으로 유동하는 동시에, 상기 연료전지용 단전지(400)의 상기 공기극(430)에 공급될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 채널(10a) 및 상기 제2 채널(20a)은, 상기 제3 채널(30a) 및 상기 제4 채널(40a)과 마찬가지로, 마루(R)와 골(V)이 주기적으로 반복되는 구조를 가질 수 있다. 이 때, 상기 제1 채널(10a) 및 상기 제2 채널(20a)의 마루(R)와 골(V)은 서로 동일한 높이 및 깊이를 가질 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 채널(10a)의 상기 마루(R) 및 골(V)의 높이 차이는, 상기 제2 채널(20a)의 상기 마루(R) 및 골(V)의 높이 차이보다 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 채널(10a) 상을 유동하는 공기의 압력이 상기 제2 채널(20a) 상을 유동하는 공기의 압력보다 커, 공기가 상기 제1 채널(10a)에서 상기 제2 채널(20a)로 용이하게 유동할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 채널(10a) 및 상기 제2 채널(20a)은 서로 동일한 길이를 가질 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 채널(10a)의 길이는, 상기 제2 채널(20a)의 길이보다 길 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 실링 가스켓(500)의 공기 유입구(10)로부터 유입된 공기가 상기 제1 채널(10a)에 의해 용이하게 수렴되어 상기 제2 채널(20a)로 유동할 수 있다.
도 8을 참조하면, 상술된 바와 같이, 상기 제1 가스 분리판(101)의 공기 유입구(10)로부터 유입된 공기는, 상기 제1 실링 가스켓(200), 상기 금속지지체(300), 및 상기 제2 실링 가스켓(500) 각각에 형성된 공기 유입구(10)를 순차적으로 통과하여 상기 제2 가스 분리판(102)의 공기 유입구(10)에 도달될 수 있다. 상기 제2 가스 분리판(102)의 공기 유입구(10)에 도달된 공기는, 상기 제1 면(102a) 상에 형성된 상기 제1 및 제2 채널(10a, 20a)을 통해 상기 연료전지용 단전지(400) 하측과 상기 제2 가스 분리판(102)의 상측(제1 면(102a))의 적층 경계를 따라 유동하는 동시에, 상기 연료전지용 단전지(400)의 상기 공기극(430)에 적어도 일부가 공급될 수 있다.
상기 연료전지용 단전지(400)의 상기 공기극(430)에 공급되지 않은 공기 및 상기 공기극(430)에서의 반응 잔존물 예를 들어, 반응 후 남은 저농도의 산소를 포함하는 공기는, 상기 제2 가스 분리판(102)의 공기 배출구(20)에 도달되고, 상기 제2 가스 분리판(102) 상측(제1 면(102a)) 상에 적층된 상기 제2 실링 가스켓(500)의 상기 컷-오프 구조(25, 도 8 참조)를 통해 즉각적으로(immediately) 외부로 배출될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 실링 가스켓(500) 상측에 위치한 상기 금속지지체(300) 및 상기 제1 실링 가스켓(200)의 적어도 하나는, 상기 제2 실링 가스켓(500)의 상기 컷-오프 구조(25)와 동일한 형상의 상기 컷-오프 구조(25)를 포함할 수 있다. 상기 금속지지체(300) 및/또는 상기 제1 실링 가스켓(200)에 형성된 상기 컷-오프 구조(25)는, 상기 제2 실링 가스켓(500)의 상기 컷-오프 구조(25)를 통해 배출되지 않은 공기, 및 상기 공기극(430)에서의 반응 잔존물의 적어도 일부를 즉각적으로 외부로 배출시킬 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 가스 분리판(101, 102)은, 상기 제2 실링 가스켓(102)의 상기 컷-오프 구조(25)와 동일한 형상의 상기 컷-오프 구조(25)를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 실링 가스켓(500), 상기 금속지지체(300), 및 상기 제1 실링 가스켓(200)의 상기 컷-오프 구조(25)를 통해 외부로 배출되지 않은 공기, 및 상기 공기극(430)에서의 반응 잔존물은, 상기 제1 가스 분리판(101) 및/또는 제2 실링 가스켓(102)의 상기 컷-오프 구조(25)를 통해 즉각적으로 외부로 배출될 수 있다.
또한, 상기 제2 가스 분리판(102)의 연료 유입구(30)로부터 유입된 연료는, 상기 제2 실링 가스켓(500), 상기 금속지지체(300), 및 상기 제1 실링 가스켓(100) 각각에 형성된 연료 유입구(30)를 순차적으로 통과하여 상기 제1 가스 분리판(101)의 연료 유입구(30)에 도달될 수 있다. 상기 제1 가스 분리판(101)의 연료 유입구(30)에 도달된 공기는, 상기 제2 면(101b) 상에 형성된 상기 제3 및 제4 채널(30a, 40a)을 통해 상기 제1 가스 분리판(101)의 하측(제2 면(101ab)과 상기 연료전지용 단전지(400) 상측의 적층 경계를 따라 유동하는 동시에, 상기 연료전지용 단전지(400)의 상기 연료극(420)에 적어도 일부가 공급될 수 있다.
상기 연료전지용 단전지(400)의 상기 연료극(420)에 공급되지 않은 연료는, 상기 제1 가스 분리판(101)의 연료 배출구(40)에 도달되고, 상기 제1 가스 분리판(101) 하측(제2 면(101b)) 상에 적층된 상기 제1 실링 가스켓(200), 상기 금속지지체(300), 및 상기 제2 실링 가스켓(500) 각각에 형성된 연료 배출구(40)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛(1000)와 달리, 상기 제2 실링 가스켓(500)이 상기 컷-오프 구조(25)를 포함하지 않는 일반적인 구조의 연료전지용 스택유닛인 경우, 도 9a에서 알 수 있듯이, 상기 제1 가스 분리판(101)의 공기 유입구(10)로부터 유입된 공기는, 상기 제1 실링 가스켓(200), 상기 금속지지체(300), 상기 제2 실링 가스켓(500) 각각에 형성된 공기 유입구(10)를 순차적으로 통과한 후, 상기 제2 가스 분리판(102)의 공기 유입구(10)에 도달될 수 있다. 상기 제2 가스 분리판(102)에 도달된 공기는, 상기 제1 면(102a) 상에 형성된 상기 제1 및 제2 채널(10a, 20a)를 통해, 상기 제2 가스 분리판(102)의 공기 배출구(20) 방향으로 유동하며, 상기 제2 가스 분리판(102)의 상측(제1 면(102a))과 상기 연료전지용 단전지(400) 하측의 적층 경계를 통해 상기 연료전지용 단전지(400)의 상기 공기극(430)에 적어도 일부가 공급될 수 있다.
또한, 상기 공기극(430)에 공급되지 않은 공기는, 상기 제2 가스 분리판(102)의 공기 배출구(20)로 유동하여, 상기 제1 면(102a) 상에 적층된 상기 제2 실링 가스켓(500), 상기 금속지지체(300), 상기 제1 실링 가스켓(200), 및 상기 제1 가스 분리판(101) 각각에 형성된 공기 배출구(20)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
도 9b를 참조하면, 상기 제2 가스 분리판(102)의 연료 유입구(30)로부터 유입된 연료는, 상기 제2 실링 가스켓(500), 상기 금속지지체(300), 상기 제1 실링 가스켓(200) 각각에 형성된 연료 유입구(30)를 순차적으로 통과한 후, 상기 제1 가스 분리판(101)의 연료 유입구(30)에 도달될 수 있다. 상기 제1 가스 분리판(101)에 도달된 연료는, 상기 제2 면(101b) 상에 형성된 상기 제3 및 제4 채널(30a, 40a)를 통해, 상기 제1 가스 분리판(101)의 연료 배출구(40) 방향으로 유동하며, 상기 제1 가스 분리판(101)의 하측(제2 면(101b))과 상기 연료전지용 단전지(400) 상측의 적층 경계를 통해 상기 연료전지용 단전지(400)의 상기 연료극(420)에 적어도 일부가 공급될 수 있다.
상술된 일반적인 구조의 연료전지용 스택유닛의 경우, 가스켓의 물리적 특성, 상기 연료전지용 스택유닛의 열화, 및/또는 상기 연료전지용 스택유닛의 구성요소간의 접합 상태 등에 따라, 상기 제1 및 제2 가스 분리판(101, 102), 상기 제1 및 제2 실링 가스켓(500, 200), 및 상기 금속지지체(300)의 계면을 통해 공기 및/또는 연료의 누설이 발생할 수 있다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 공기가 상기 제2 실링 가스켓(200), 제2 실링 가스켓(200)과 제1 가스 분리판(101)의 계면, 제2 실링 가스켓(200)과 상기 금속 지지체(300)의 계면을 통해 상기 연료극(420)으로 누설되는 경우, 상기 연료극(420)에 포함된 니켈(Ni)이 산화니켈(NiO)로 재산화되어 상기 연료전지용 단전지(400)에 크랙(crack)을 발생시킬 수 있다. 또한, 도 10b에 도시된 바와 같이, 연료가 상기 제1 실링 가스켓(500), 제1 실링 가스켓(500)과 금속 지지체(300)의 계면, 제1 실링 가스켓(500)과 제2 가스 분리판(102)의 계면을 통해 상기 공기극(430)으로 누설되는 경우, 상기 공기극(430)에 생성되는 물(water)로 인해 상기 연료전지용 단전지(400)의 전지 특성이 저하될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛(1000)에 따르면, 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 상술된 일반적인 구조의 연료전지용 스택유닛에 나타나는 문제점들을 해결하기 위해, 상기 제1 및 제2 실링 가스켓(200, 500)에 공기 유로와 연료극 및/또는 연료 유로와 공기극 사이에 상기 가스유도채널(270, 570)을 형성시킬 수 있다. 또한, 상기 가스유도채널(270, 570)은 상기 금속 지지판(300)에 그 일부가 형성될 수 있다. 상기 가스유도채널(270, 570)에 의해, 상기 공기 및 연료 유로를 통해 상기 연료전지용 단전지(400)로 공기 및 연료가 누설되어 상기 연료전지용 단전지(400)의 특성이 저하되는 것을 최소화할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 연료전지용 스택유닛에 공급되는 공기 및 연료는 상기 연료전지용 스택유닛 외부의 공기 압력(대기압)보다 높을 수 있다. 도 11a 및 도 11b에서 알 수 있듯이, 만약, 상기 연료전지용 스택유닛에 공급된 상기 공기 유로 내부의 공기압력이 상기 연료 유로 내부의 연료압력보다 높은 경우, 공기가 상기 연료극(420)으로 누설될 가능성이 높아질 수 있다. 이 경우, 상술된 바와 같이, 상기 연료극(420)의 니켈이 산화니켈로 재산화되어 상기 연료전지용 단전지(400)에 심각한 불량을 야기시킬 수 있다.
반대로, 상기 연료전지용 스택유닛에 공급된 상기 연료 유로 내부의 연료압력이 상기 공기 유로 내부의 공기압력보다 높은 경우, 연료가 상기 공기극(430)으로 누설될 가능성이 높아질 수 있다. 이 경우, 상술된 바와 같이, 상기 공기극(430)에 물이 생성되어, 상기 연료전지용 스택유닛의 전지 특성이 저하될 수 있다. 그러므로, 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 실링 가스켓(200, 500)에 공기 유로와 연료극 및/또는 연료 유로와 공기극 사이에 상기 가스유도채널(270, 570)을 형성함으로써, 특성 열화를 방지할 수 있다.
또한, 도 13을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛(1000)의 상기 제2 실링 가스켓(500)은, 상기 제2 실링 가스켓(500)의 태두리에서 내측으로 인입하는 컷-오프 구조(25)를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 연료전지용 단전지(400)의 일 측에서 타 측으로 유동한 공기, 및 상기 공기극(430)에서의 반응 잔존물이 상기 제2 실링 가스켓(500) 의 상기 컷-오프 구조(25)를 통해 즉각적으로 외부로 배출될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 제2 실링 가스켓(500)의 상기 컷-오프 구조(25)를 통해, 상기 연료전지용 단전지(400)의 타 측으로 유동한 공기가 외부로 배출됨으로써, 상기 연료전지용 단전지(400) 주변을 유동하는 공기의 압력이 상기 연료전지용 단전지(400) 주변을 유동하는 연료의 압력보다 낮을 수 있다. 다시 말해서, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛(1000)에서는, 상기 연료 유로 내부의 연료압력이 상기 공기 유로 내부의 공기압력보다 높을 수 있다. 이에 따라, 공기가 상기 연료 유로를 통해 상기 연료극(420)으로 누설되는 것이 방지되어, 상기 연료극(420)의 니켈이 산화니켈로 재산화되어 상기 연료전지용 단전지(400)에 심각한 불량이 발생되는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛(1000)의 상기 공기극(430)에, 연료가 누설되는 경우에도 안정한 상(phase)을 유지하여 전지의 특성을 저하시키지 않는 물질(ex. LSCF)을 사용함으로써, 상기 연료 유로 내부의 연료압력이 상기 공기 유로 내부의 공기압력보다 높은 경우, 연료가 상기 공기극(430)에 누설되어 나타나는 전지의 특성 저하 현상을 최소화할 수 있다.
도 13에 도시된 실시 예에서는, 상기 제2 실링 가스켓(500)이, 상기 제2 실링 가스켓(500)의 태두리에서 내측으로 인입하는 컷-오프 구조(25)를 가지는 것을 설명하였다. 이와 달리, 상기 제1 가스 분리판(101), 제1 실링 가스켓(200), 금속지지체(300), 제2 가스 분리판(102) 중 적어도 하나의 구성도 컷-오프 구조를 가질 수 있음은 물론이다. 이 경우, 상기 제1 가스 분리판(101), 제1 실링 가스켓(200), 금속지지체(300), 제2 가스 분리판(102)에 형성된 컷-오프 구조는 상기 제2 실링 가스켓(500)의 컷-오프 구조와 적층될 수 있다. 또한, 상기 제1 가스 분리판(101), 제1 실링 가스켓(200), 금속지지체(300), 제2 가스 분리판(102)에 형성된 컷-오프 구조는, 도 7a 또는 도 7b를 참조하여 설명한 형상을 가질 수 있음은 물론이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택이 설명된다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다, 구체적으로 도 14(a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 스택의 단면을 도시하고, 도 14(b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 스택의 분해 사시도를 도시한다. 도 14에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택을 설명함에 있어서, 앞서 도 1 내지 도 8, 및 도 12 내지 도 13에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛에 대한 설명에 중복되는 부분에 대해서는 도 1 내지 도 8, 및 도 12 내지 도 13을 참조하기로 한다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택(fuel cell stack, 2000)은, 중간 가스 분리판(105)과 상기 중간 가스 분리판(105)의 상측에 순차적으로 적층되는 제1-2 실링 가스켓(500(1-2)), 제1 금속지지체(301), 제1 연료전지용 단전지(401), 제1-1 실링 가스켓(200(1-1)), 및 제1 가스 분리판(101)을 포함하고, 상기 중간 가스 분리판(105)의 하측에 순차적으로 적층되는 제2-1 실링 가스켓(200(2-1)), 제2 금속지지체(302), 제2 연료전지용 단전지(402), 제2-2 실링 가스켓(500(2-2)), 제2 가스 분리판(102)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택(2000)의 상기 중간 가스 분리판(105)과 상기 제1 및 제2 가스 분리판(101, 102), 상기 제1-1 및 제2-1 실링 가스켓(200(1-1), 500(2-1)), 상기 제1 및 제2 금속지지체(301, 302), 상기 제1 및 제2 연료전지용 단전지(401, 402), 상기 제1-2 및 제2-2 실링 가스켓(200(1-2), 500(2-2)) 각각은, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛(1000)의 상기 제1 및 제2 가스 분리판(101, 102), 상기 제1 실링 가스켓(200), 상기 금속지지체(300), 상기 연료전지용 단전지(400), 및 상기 제2 실링 가스켓(500)과 동일할 수 있다.
이에 따라, 상기 중간 가스 분리판(105)은, 상기 중간 가스 분리판(105)의 상면에, 상기 제1 연료전지용 단전지(401)의 일 측에서 타 측으로 유동하는 공기에 유로를 제공하는 제1 및 제2 채널을 포함할 수 있다. 또한, 상기 중간 가스 분리판(105)의 하면에, 상기 제2 연료전지용 단전지(402)의 일 측에서 타 측으로 유동하는 연료에 유로를 제공하는 제3 및 제4 채널을 포함할 수 있다.
상기 제1 가스 분리판(101)의 공기 유입구(10)로부터 유입된 공기는, 상기 중간 가스 분리판(105)의 공기 유입구(10)로 유동하는 제1 유동, 및 상기 중간 가스 분리판(105)의 공기 유입구(10)에 도달된 공기가 상기 제2 가스 분리판(102)의 공기 유입구(10)로 유동하는 제2 유동을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 유동은, 상기 제1 가스 분리판(101)의 공기 유입구(10)로부터 유입된 공기가 상기 제1-1 실링 가스켓(200(1-1)), 상기 제1 금속지지체(301), 및 상기 제1-2 실링 가스켓(500(1-2)) 각각에 형성된 공기 유입구(10)를 순차적으로 통과하여 상기 제1 연료전지용 단전지(401) 하측과 상기 중간 가스 분리판(105) 상측의 적층 경계를 따라, 상기 제1 연료전지용 단전지(401)의 일 측에서 타 측으로 유동하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛(1000)을 참조하여 설명된 바와 같이, 상기 제1 가스 분리판(101)의 공기 유입구(10)로부터 유입된 공기의 적어도 일부는, 상기 제1 유동을 통해, 상기 제1 연료전지용 단전지(401) 하측과 상기 중간 가스 분리판(105)의 상측 경계를 따라 유동하는 동시에, 상기 제1 연료전지용 단전지(401)의 제1 공기극(431)에 공급될 수 있다.
상기 제1 유동을 통해 상기 제1 연료전지용 단전지(401)의 상기 제1 공기극(431)에 공급되지 않고 상기 제1 연료전지용 단전지(401)의 타 측으로 유동한 공기, 및 공기극(431)에서 반응하고 남은 저 산소 농도의 공기는, 상기 중간 가스 분리판(105) 상측의 상기 제1-2 실링 가스켓(500(1-2)) 테두리의 적어도 일부가 내측으로 인입된 컷-오프 구조(25)를 통해 즉각적으로 외부로 배출될 수 있다.
또한, 상기 제2 가스 분리판(102)의 공기 유입구(10)로부터 유입된 공기가 상기 제1-1 실링 가스켓(500(2-2)), 상기 제1 금속지지체(302), 및 상기 제1-2 실링 가스켓(500(1-2)) 각각에 형성된 공기 유입구(10)를 순차적으로 통과한 후, 상기 중간 가스 분리판(105)의 공기 유입구(10)에 도달된 후, 상기 제1 연료전지용 단전지(401)의 일 측에서 타 측으로 유동하지 않은 공기는, 상기 중간 가스 분리판(105)의 공기 유입구(10)를 통과하여 상기 제2 유동에 포함될 수 있다.
또한, 상기 제2 유동은, 상기 중간 가스 분리판(105)의 공기 유입구(10)에 도달된 공기가 상기 중간 가스 분리판(105), 상기 제2-1 실링 가스켓(200(2-1)), 상기 제2 금속지지체(302), 및 상기 제2-2 실링 가스켓(500(2-2)) 각각에 형성된 공기 유입구(10)를 순차적으로 통과하여 상기 제2 연료전지용 단전지(402) 하측과 상기 제2 가스 분리판(102) 상측의 적층 경계를 따라 상기 제2 연료전지용 단전지(402)의 일 측에서 타 측으로 유동하는 것을 포함할 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 제1 유동을 통해 상기 제1 연료전지용 단전지(401)의 상기 제1 공기극(431)에 공급되지 않은 공기는, 상기 중간 가스 분리판(105)의 공기 유입구(10)로부터 유입되고, 상기 제2 연료전지용 단전지(402) 하측과 상기 제2 가스 분리판(102) 상측의 적층 경계를 따라 유동하는 동시에, 상기 제2 연료전지용 단전지(402)의 제2 공기극(432)에 적어도 일부가 공급될 수 있다.
상기 제2 유동을 통해 상기 제2 연료전지용 단전지(402)의 상기 제2 공기극(432)에 공급되지 않고 상기 제2 연료전지용 단전지(402)의 타 측으로 유동한 공기, 및 상기 제2 연료전지용 단전지(402)의 상기 공기극(432)에서 반응하고 남은 저 산소 농도의 공기는, 상기 제2 가스 분리판(102) 상측의 상기 제2-2 실링 가스켓(500(2-2)) 테두리의 적어도 일부가 내측으로 인입된 컷-오프 구조(25)를 통해 즉각적으로 외부로 배출될 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 연료전지용 단전지(401, 402)의 타 측으로 유동한 공기는, 상기 컷-오프 구조(25)를 통해 즉각적으로 외부로 배출되므로, 상기 제1 및 제2 연료전지용 단전지(401, 402) 주변을 유동하는 공기의 압력이 상기 제1 및 제2 연료전지용 단전지(401, 402) 주변을 유동하는 연료의 압력보다 낮을 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛(1000)을 참조하여 설명된 것과 같이, 공기가 상기 연료 유로를 통해 상기 연료극(421, 431)으로 누설되는 것이 방지되어, 상기 연료극(421, 431)의 니켈이 산화니켈로 재산화되어 상기 제1 및 제2 연료전지용 단전지(401, 402)에 심각한 불량이 발생되는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛(1000)과 마찬가지로, 의 상기 공기극(431, 432)에, 연료가 누설되는 경우에도 안정한 상을 유지하여 전지의 특성을 저하시키지 않는 물질(ex. LSCF)을 사용함으로써, 상기 연료 유로 내부의 연료압력이 상기 공기 유로 내부의 공기압력보다 높은 경우, 연료가 상기 공기극(431, 432)에 누설되어 나타나는 전지의 특성 저하 현상을 최소화할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 중간 가스 분리판(105), 상기 제1 및 제2 가스 분리판(101, 102), 상기 제1-1 및 제2-1 실링 가스켓(200(1-1), 200(2-1)), 상기 제1 및 제2 금속지지체(301, 302) 중 적어도 하나는 상기 제1-2 및 제2-2 실링 가스켓(500(1-2), 500(2-2))의 상기 컷-오프 구조(25)와 동일한 형상의 상기 컷-오프 구조(25)를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 중간 가스 분리판(105), 상기 제1 및 제2 가스 분리판(101, 102), 상기 제1-1 및 제2-1 실링 가스켓(200(1-1), 200(2-1)), 상기 제1 및 제2 금속지지체(301, 302) 모두 상기 컷-오프 구조(25)를 가질 수 있다. 이 때, 상기 컷-오프 구조(25)는, 도 7(a)를 참조하여 설명한 구조 및/또는 7(b)를 참조하여 설명한 구조를 가질 수 있음은 물론이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛을 포함하는 연료전지 스택유닛을 이용한 발전용 연료전지 스택의 적용 예가 설명된다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛을 포함하는 발전용 연료전지 스택의 적용 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 15를 참조하면, 상기 발전용 연료전지 스택은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택(2000)으로부터 전력을 공급받아 외부로 송출하는 전력 제어장치(800)를 포함할 수 있다. 상기 전력제어장치(800)는 출력장치(810), 축전장치(820), 충방전 제어장치(830), 시스템제어장치(840)를 포함할 수 있다. 상기 출력장치(810)는 전력변환장치(812)를 포함할 수 있다.
상기 전력변환장치(Power Conditioning System: PCS, 812)는 상기 연료전지 스택(2000)로부터의 직류전류를 교류전류로 변환하는 인버터일 수 있다. 상기 충방전 제어장치(830)는 상기 연료전지 스택(2000)로부터의 전력을 상기 축전장치(820)에 저장하거나, 상기 축전장치(820)에 저장된 전기를 상기 출력장치(810)로 출력할 수 있다. 상기 시스템제어장치(840)는 상기 출력장치(810), 상기 축전장치(820) 및 상기 충방전 제어장치(830)를 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이, 변환된 교류전류는 자동차, 가정과 같은 다양한 AC 부하(910)로 공급되어 사용될 수 있다. 나아가, 상기 출력장치(810)는 계통연계장치(grid connect system, 814)를 더 포함할 수 있다. 상기 계통연계장치(814)는 다른 전력계통(920)과의 접속을 매개하여, 전력을 외부로 송출할 수 있다.
이하 도 16 내지 도 24를 참조하여 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛을 설명하기로 한다.
도 16은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제1 가스 분리판을 설명하기 위한 도면이고, 도 17은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제1 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이고, 도 18은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제2 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이고, 도 19는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제3 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이고, 도 20은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제4 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이고, 도 21은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제2 가스 분리판을 설명하기 위한 도면이고, 도 22는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛을 설명하기 위한 분해 사시도를 도시한다. 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛을 설명함에 있어서, 앞서 제1 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛과 중복되는 구성에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛은, 제1 가스 분리판(1100), 제1 내지 제4 실링 가스켓(1200, 1300, 1400, 1500), 제2 가스 분리판(1600) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 16을 참조하면, 상기 제1 가스 분리판(1100)은, 공기 유로를 제공하는 공기 유입구(1110) 및 공기 배출구(1120)을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 공기 유입구(1110) 및 상기 공기 배출구(1120)는 상기 제1 가스 분리판(1100)의 두께 방향으로 공기가 유동하도록 할 수 있다.
상기 제1 가스 분리판(1100)은, 연료 유로를 제공하는 연료 유입구(1130) 및 연료 배출구(1140)을 포함할 수 있다. 상기 연료 유입구(1130) 및 상기 연료 배출구(1140)는 상기 제1 가스 분리판(1100)의 두께 방향으로 연료가 유동하도록 할 수 있다.
상기 제1 가스 분리판(1100)의 일 면에는 상기 공기 유입구(1110)로부터 제공된 공기가 상기 공기 배출구(1120)을 향하여 유동할 수 있도록 채널(1122)이 마련될 수 있다. 상기 채널(1122)는 골과 마루로 이루어질 수 있다. 이로써, 상기 채널(1122)을 통하여 유동하는 공기가 상기 제1 가스 분리판(1100)의 상측에 배치되는 단전지의 공기극에 제공될 수 있다.
도 16에 도시하지는 않았으나, 상기 제1 가스 분리판(1100)의 타 면에는, 상기 연료 유입구(1130)로부터 제공된 연료가 상기 연료 배출구(1140)을 향하여 유동할 수 있도록 채널이 마련될 수 있다. 이 때, 상기 제1 가스 분리판(1100) 타 면의 채널은, 앞서 설명한 채널(1122)와 직교하는 방향으로 마련될 수 있다. 이로써, 연료는 상기 채널을 통하여 유동하면서 상기 제1 가스 분리판(1100)의 하측에 배치되는 다른 단전지의 연료극에 공기를 제공할 수 있다.
도 17을 참조하면, 상기 제1 실링 가스켓(1200)은 상기 제1 가스 분리판(1100)의 일 측 예를 들어, 상측에 적층될 수 있다. 상기 제1 실링 가스켓(1200)은 예를 들어, 마이카 혹은 버미큘라이트로 이루어질 수 있다.
상기 제1 실링 가스켓(1200)은, 상기 제1 가스 분리판(1100)의 공기 유입구(1110)과 적층방향으로 연통하는 공기 유입구(1210), 상기 제1 가스 분리판(1110)의 공기 유출구(1120)와 적층방향으로 연통하는 공기 유출구(1220)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 실링 가스켓(1200)은, 상기 제1 가스 분리판(1100)의 연료 유입구(1130)와 적층방향으로 연통하는 연료 유입구(1230) 및 상기 제1 가스 분리판(1100)의 연료 유출구(1140)와 연통하는 연료 유출구(1240)를 포함할 수 있다.
상기 제1 실링 가스켓(1200)의 중심부에는, 개구부가 형성될 수 있다. 상기 제1 실링 가스켓(1200)의 개구부에는 단전지(1250)가 위치할 수 있다. 상기 제1 실링 가스켓(1200)의 개구부는 상기 단전지(1250)를 수용하도록 상기 단전지(1250)의 외형에 부합하는 형상 예를 들어, 사각형으로 이루어질 수 있다.
상기 단전지(1250) 하측에는 전류집전부(1710, 도 23 참조)가 형성될 수 있다. 이 때, 상기 전류집전부(1710)는 금속 메쉬로 이루어질 수 있으며, 상기 단전지(1250)와 중첩되되, 상기 단전지(1250)의 단면적과 같거나 크게 구성될 수 있다. 이로써, 국부적인 응력(stress)에 의한 단전지의 크랙 발생을 줄 일 수 있다.
상기 제1 실링 가스켓(1200)은, 가스유도채널(1260, 1270)을 포함할 수 있다. 상기 가스유도채널(1260, 1270)은 누설된 가스 예를 들어, 공기 및/또는 연료 가스를 외부로 배출할 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 가스유도채널(1260)은 연료 유출구(1240)와 상기 제1 실링 가스켓(1200) 개구부 사이에 마련되고, 상기 가스유도채널(1270)은 연료 유입구(1230)와 상기 제1 실링 가스켓(1200) 개구부 사이에 마련될 수 있다.
도 18을 참조하면, 상기 제2 실링 가스켓(1300)은 상기 제1 실링 가스켓(1300)의 일 측 예를 들어, 상측에 적층될 수 있다. 상기 제2 실링 가스켓(1300)은 예를 들어, 마이카 혹은 버미큘라이트로 이루어질 수 있다.
상기 제2 실링 가스켓(1300)은, 상기 제1 실링 가스켓(1200)의 공기 유입구(1210)와 적층방향으로 연통하는 공기 유입구(1310), 상기 제1 실링 가스켓(1200)의 공기 유출구(1220)와 적층방향으로 연통하는 공기 유출구(1320)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 실링 가스켓(1300)은, 상기 제1 실링 가스켓(1200)의 연료 유입구(1230)과 적층방향으로 연통하는 연료 유입구(1330) 및 상기 제1 실링 가스켓(1200)의 연료 유출구(1240)과 연통하는 연료 유출구(1340)을 포함할 수 있다.
상기 제2 실링 가스켓(1300)의 중심부에도 개구부가 형성될 수 있다. 상기 제2 실링 가스켓(1300)의 개구부는, 상기 제1 실링 가스켓(1200)의 개구부보다 넓이가 좁을 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 실링 가스켓(1300)의 내측이 상기 제1 실링 가스켓(1200)의 개구부를 덮을 수 있다. 다른 관점에서, 상기 제2 실링 가스켓(1300)의 내측이 상기 제1 실링 가스켓(1200)에 수용되는 단전지(1250)의 주변부를 덮을 수 있다. 또 다른 관점에서, 상기 제2 실링 가스켓(1300)의 내측과 상기 단전지(1250)의 일 측은 중첩될 수 있다.
상기 제2 실링 가스켓(1300)의 중심 개구부에는 전류집전체(1720)가 마련될 수 있다.
상기 제2 실링 가스켓(1300)은 상기 단전지(1250)의 상측을 개구하는 제2-1 가스유도채널(1355)을 포함할 수 있다. 상기 제2-1 가스유도채널(1355)은 상기 제2 실링 가스켓(1300) 개구부와 이격하여 형성된 개구로 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 제2-1 가스유도채널(1355)는 상기 제2 실링 가스켓(1300) 개구부의 적어도 일부를 감싸는 형태로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2-1 가스유도채널(1355)는 "ㅁ" 으로 이루어진 폐루프 형상을 가질 수 있다.
상기 제2 실링 가스켓(1300)은, 제2-2 가스유도채널(1360, 1370)을 포함할 수 있다. 상기 제2-2 가스유도채널(1360, 1370)은 누설된 가스 예를 들어, 공기 가스 및/또는 연료 가스를 외부로 배출할 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 제2-2 가스유도채널(1360)은 공기 유입구(1310)와 상기 제2-1 가스유도채널(1355) 좌변 사이에 마련되고, 상기 제2-2 가스유도채널(1370)은 공기 유출구(1320)와 상기 제2-2 가스유도채널(1355) 우변 사이에 마련될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 공기 유입구(1310), 상기 공기 유출구(1320), 상기 연료 유입구(1330), 상기 연료 유출구(1340), 중심 개구부, 상기 제2-1 가스유도채널(1355) 및 제2-2 가스유도채널(1360, 1370)은 서로 이격하여 배치됨으로써, 상기 제2 실링 가스켓(1300) 내에서는 서로 연통하지 않는 구조를 가질 수 있다.
도 19를 참조하면, 상기 제3 실링 가스켓(1400)은 상기 제2 실링 가스켓(1300)의 일 측 예를 들어, 상측에 적층될 수 있다. 이 때, 상기 제3 실링 가스켓(1400)은 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 제3 실링 가스켓(1400)은, 상기 제2 실링 가스켓(1300)의 공기 유입구(1310)와 적층방향으로 연통하는 공기 유입구(1410), 상기 제2 실링 가스켓(1300)의 공기 유출구(1320)와 적층방향으로 연통하는 공기 유출구(1420)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제3 실링 가스켓(1400)은, 상기 제2 실링 가스켓(1400)의 연료 유입구(1330)와 적층방향으로 연통하는 연료 유입구(1430) 및 상기 제2 실링 가스켓(1300)의 연료 유출구(1340)와 연통하는 연료 유출구(1440)을 포함할 수 있다.
상기 제3 실링 가스켓(1400)의 중심부에도 개구부가 형성될 수 있다. 상기 제3 실링 가스켓(1400)의 개구부는, 앞서 설명한 상기 제2 실링 가스켓(1300)의 개구부와 상응하는 크기를 가질 수 있다. 다시 말해, 상기 제3 실링 가스켓(1400)의 중심 개구부 크기는 상기 제1 실링 가스켓(1200)의 중심 개구부보다 작을 수 있다. 따라서, 상기 제3 실링 가스켓(1400)의 내측 일부는 상기 제1 실링 가스켓(1200)에 수용되는 단전지(1250)의 주변부와 중첩될 수 있다.
상기 제3 실링 가스켓(1400)의 중심 개구부에는 전류집전체(1720)가 마련될 수 있다. 이 때, 상기 제3 실링 가스켓(1400)의 전류집전체는 상기 제2 실링 가스켓(1300)의 전류집전체와 일체로 이루어질 수 있다.
상기 제3 실링 가스켓(1400)은 상기 제2 실링 가스켓(1300)의 제2-1 가스유도채널(1355)와 적층방향으로 연통하는 제3-1 가스유도채널(1462, 1472)를 포함할 수 있다.
상기 제3 실링 가스켓(1400)은 가스를 외부로 배출하며, 상기 제2-2 가스유도채널(1360, 1370)과 적층방향으로 연통하는 제3-3 가스유도채널(1460, 1470)을 포함할 수 있다.
상기 제3 실링 가스켓(1400)은, 상기 제3-1 가스유도채널(1462)와 상기 제3-3 가스유도채널(1460)을 상기 제3 실링 가스켓(1400)의 면 방향으로 연결하는 제3-2 가스유도채널(1464)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제3 실링 가스켓(1400)은, 상기 제3-1 가스유도채널(1472)와 상기 제3-3 가스유도채널(1470)을 상기 제3 실링 가스켓(1400)의 면 방향으로 연결하는 제3-2 가스유도채널(1474)를 포함할 수 있다. 이로써, 가스는, 상기 제3-1 가스유도채널, 제3-2 가스유도채널 및 제3-3 가스유도채널을 통과하여 화살표 방향을 따라 외부로 배출될 수 있다.
도 20을 참조하면, 상기 제4 실링 가스켓(1500)은 상기 제3 실링 가스켓(1400)의 일 측 예를 들어, 상기 제3 실링 가스켓(1400)의 상측에 적층될 수 있다. 상기 제4 실링 가스켓(1500)은 예를 들어, 마이카 혹은 버미큘라이트로 이루어질 수 있다.
상기 제4 실링 가스켓(1500)은, 상기 제3 실링 가스켓(1400)의 공기 유입구(1410)과 적층방향으로 연통하는 공기 유입구(1510), 상기 제3 실링 가스켓(1400)의 공기 유출구(1420)과 적층방향으로 연통하는 공기 유출구(1520)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제4 실링 가스켓(1500)은, 상기 제3 실링 가스켓(1400)의 연료 유입구(1430)과 적층방향으로 연통하는 연료 유입구(1530) 및 상기 제3 실링 가스켓(1400)의 연료 유출구(1440)과 연통하는 연료 유출구(1540)을 포함할 수 있다.
상기 제4 실링 가스켓(1500)의 중심부에도 개구부가 형성될 수 있다. 상기 제4 실링 가스켓(1500)의 개구부는, 앞서 설명한 상기 제2 실링 가스켓(1300) 및 상기 제3 실링 가스켓(1400)의 중심 개구부와 상응하는 크기를 가질 수 있다. 다시 말해, 상기 제4 실링 가스켓(1500)의 중심 개구부 크기는 상기 제1 실링 가스켓(1200)의 중심 개구부보다 작을 수 있다. 따라서, 상기 제4 실링 가스켓(1500)의 내측 일부는 상기 제1 실링 가스켓(1200)에 수용되는 단전지(1250)의 주변부와 중첩될 수 있다.
상기 제4 실링 가스켓(1500)의 중심 개구부에는 전류집전체(1720)가 마련될 수 있다. 이 때, 상기 제4 실링 가스켓(1500)의 전류집전체는 상기 제2 실링 가스켓(1300)의 전류집전체와 일체로 이루어질 수 있다.
상기 제4 실링 가스켓(1500)은 가스를 외부로 배출하며, 상기 제3-3 가스유도채널(1460, 1470)과 적층방향으로 연통하는 가스유도채널(1560, 1570)을 포함할 수 있다.
도 21을 참조하면, 상기 제2 가스 분리판(1600)은 상기 제4 실링 가스켓(1500)의 일 측 예를 들어, 상측에 적층될 수 있다.
상기 제2 가스 분리판(1600)은, 공기 유로를 제공하는 공기 유입구(1610) 및 공기 배출구(1620)을 포함할 수 있다. 상기 제2 가스 분리판(1600)은, 연료 유로를 제공하는 연료 유입구(1630) 및 연료 배출구(1640)을 포함할 수 있다.
상기 제2 가스 분리판(1600)의 일 면에는 상기 연료 유입구(1630)로부터 제공된 연료가 상기 연료 배출구(1640)을 향하여 유동할 수 있도록 채널(1632, 1642)이 마련될 수 있다. 상기 채널(1642)는 골과 마루로 이루어질 수 있다. 이로써, 상기 채널(1632, 1642)을 통하여 유동하는 연료가 단전지(1250)의 연료극에 제공될 수 있다.
도 21에 도시하지는 않았으나, 상기 제2 가스 분리판(1600)의 타 면에는, 상기 공기 유입구(1610)로부터 제공된 공기가 상기 공기 배출구(1620)을 향하여 유동할 수 있도록 채널이 마련될 수 있다. 이 때, 상기 제2 가스 분리판(1600) 타 면의 채널은, 앞서 설명한 채널(1632, 1642)와 직교하는 방향으로 마련될 수 있다. 이로써, 공기는 상기 채널을 통하여 유동하면서 상기 제2 가스 분리판(1600)의 상측에 배치되는 다른 단전지의 공기극에 공기를 제공할 수 있다.
도 22를 참조하면, 상술한 제1 가스 분리판(1100), 제1 실링 가스켓(1200), 제2 실링 가스켓(1300), 제3 실링 가스켓(1400), 제4 실링 가스켓(1500) 및 제2 가스 분리판(1600)이 적층됨으로써, 연료전지 스택유닛이 제공될 수 있다.
이로써, 외부로부터 유입된 공기는 공기 유입구들을 통하여, 유입될 수 있다. 유입된 공기는 채널(1122)을 통하여 상기 단전지(1250)의 공기극으로 제공될 수 있다. 또한, 외부로부터 유입된 연료는 연료 유입구들을 따라 유동하며, 채널(1632, 1642)을 통하여 상기 단전지(1250)의 연료극으로 제공될 수 있다.
이상 도 16 내지 도 22를 참조하여 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛을 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛의 가스 배출 방법을 설명하기로 한다.
도 23 및 도 24는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛의 가스 배출 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 23은 도 16 내지 도 21에 도시된 A-A' 선을 따른 단면을 도시하되, 제1 가스 분리판(1100), 제1 내지 제4 실링 가스켓(1100, 1200, 1300, 1400)이 적층된 것을 도시한다. 도 24는 도 23의 A 영역에 대한 확대도를 도시한다.
도 23 및 도 24를 참조하면, 공기는 제1 가스분리판(1100)의 채널(1122)를 통하여 단전지(1250)의 공기극으로 제공될 수 있다. 한편, 연료전지 스택유닛 내에서는 연료 및/또는 공기로 이루어진 가스가 누설될 수 있다. 만약 누설되는 가스를 방치하는 경우, 발전효율이 감소되는 문제를 야기시킬 수 있다.
그러나, 본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 상기 제2-1 가스유도채널(1355), 상기 제3-1 가스유도채널(1462), 상기 제3-2 가스유도채널(1464), 상기 제3-3 가스유도채널(1460), 상기 제2-2 가스유도채널(1360)이 연통됨으로써, 누설되는 가스를 즉각적으로 외부로 배출할 수 있다.
특히, 상기 제2-1 가스유도채널(1355)이 상기 단전지(1250)와 중첩되도록 배치되므로, 누설 공기가 연료극으로 진입하거나 누설 연료가 공기극으로 진입하기 전에, 선제적으로 누설 가스를 제거할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛은 누설된 공기가 연료극으로 공급되거나, 누설된 연료가 공기극으로 공급됨에 따라 야기되는 발전효율 감소를 방지할 수 있다.
또한, 전류집전부(1710)가 상기 단전지(1250)의 단면적과 같거나 더 넓게 구성되므로, 국부적인 응력(stress)에 의한 단전지의 크랙 발생을 줄 일 수 있다.
이상 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛을 설명하였다. 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛도 도 14를 참조하여 설명한 바와 같이 연료전지 스택으로 구성될 수 있음은 물론이다.
이하에서는 도 25 내지 도 32를 참조하여, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛을 설명하기로 한다.
도 25는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 제1 가스 분리판의 공기극 측을 설명하기 위한 도면이고, 도 26은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 제1 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이고, 도 27은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 제2 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이고, 도 28은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 제3 실링 가스켓을 설명하기 위한 도면이고, 도 29는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 제2 가스 분리판의 연료극 측을 설명하기 위한 도면이고, 도 30은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛을 설명하기 위한 분해 사시도를 도시한다.
본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛은, 제1 가스 분리판(2100), 제1 내지 제3 실링 가스켓(2200, 2300, 2400), 제2 가스 분리판(2500) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이하 각 구성에 대하여 설명함에 있어서 앞서 설명한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.
도 25를 참조하면, 상기 제1 가스 분리판(2100)은 앞서 설명한 상기 제1 가스 분리판(1100)과 동일할 수 있다. 즉, 상기 제1 가스 분리판(2100)은 공기 유입구(2110), 공기 유출구(2120), 연료 유입구(2130), 연료 유출구(2140) 및 채널(2122)을 포함하여 이루어질 수 있다.
도 26을 참조하면, 상기 제1 실링 가스켓(2200)은 상기 제1 가스 분리판(2100)의 일 측 예를 들어, 상측에 적층될 수 있다. 상기 제1 실링 가스켓(2200)은 예를 들어, 마이카 혹은 버미큘라이트로 이루어질 수 있다.
상기 제1 실링 가스켓(2200)은, 상기 제1 가스 분리판(2100)의 공기 유입구(2110)과 적층방향으로 연통하는 공기 유입구(2210), 상기 제1 가스 분리판(2110)의 공기 유출구(2120)과 적층방향으로 연통하는 공기 유출구(2220)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 실링 가스켓(2200)은, 상기 제1 가스 분리판(2100)의 연료 유입구(2130)과 적층방향으로 연통하는 연료 유입구(2230) 및 상기 제1 가스 분리판(2100)의 연료 유출구(2140)과 연통하는 연료 유출구(2240)을 포함할 수 있다.
상기 제1 실링 가스켓(2200)의 중심부에는, 개구부가 형성될 수 있다. 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 개구부에는 전류집전체(2250)가 위치할 수 있다. 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 개구부는 상기 전류집전체(2250)를 수용하도록 상기 전류집전체(2250)의 외형에 부합하는 형상 예를 들어, 사각형으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 실링 가스켓(2200)은, 가스유도채널(2260, 2270)을 포함할 수 있다. 상기 가스유도채널(2260, 2270)은 누설된 가스 예를 들어, 공기 가스 및/또는 연료 가스를 외부로 배출할 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 가스유도채널(2260)은 연료 유출구(2240)와 상기 전류집전체(2250) 상변 사이에 마련되고, 상기 가스유도채널(2270)은 연료 유입구(2230)와 상기 전류집전체(2250) 하변 사이에 마련될 수 있다.
도 27을 참조하면, 상기 제2 실링 가스켓(2300)은 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 일 측 예를 들어, 상측에 적층될 수 있다. 상기 제2 실링 가스켓(2300)은 예를 들어, 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 제2 실링 가스켓(2300)은, 상기 제2 실링 가스켓(2200)의 공기 유입구(2210)과 적층방향으로 연통하는 공기 유입구(2310), 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 공기 유출구(2220)과 적층방향으로 연통하는 공기 유출구(2320)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 실링 가스켓(2300)은, 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 연료 유입구(2230)과 적층방향으로 연통하는 연료 유입구(2330) 및 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 연료 유출구(2240)과 연통하는 연료 유출구(2340)을 포함할 수 있다.
상기 제2 실링 가스켓(2300)의 중심부에도 개구부가 형성될 수 있다. 상기 제2 실링 가스켓(2300)의 개구부는, 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 개구부보다 넓이가 좁을 수 있다.
상기 제2 실링 가스켓(2300)의 중심 개구부에는 단전지(2350)이 수용될 수 있다. 이 때, 상기 제2 실링 가스켓(2300)의 개구부가 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 개구부보다 넓기 때문에, 상기 단전지(2350)는 상기 제1 실링 가스켓(2200)과 중첩할 수 있다.
상기 제2 실링 가스켓(2300)의 개구부는, 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 가스유도채널(2260, 2270)과 적층방향으로 연통하도록 연장된 연장 개구부(2355)를 더 포함할 수 있다. 이로써, 상기 연장 개구부(2355)로 누설 가스가 수집된 경우, 상기 연장 개구부(2355)와 연통된 가스유도채널(2260, 2270)을 통하여 외부로 즉각적으로 배출될 수 있다.
도 28을 참조하면, 상기 제3 실링 가스켓(2400)은 상기 제2 실링 가스켓(2300)의 일 측 예를 들어, 상기 제2 실링 가스켓(2300)의 상층에 적층될 수 있다. 상기 제3 실링 가스켓(2400)은 상기 제3 실링 가스켓(2400)은 예를 들어, 마이카 혹은 버미큘라이트로 이루어질 수 있다.
상기 제3 실링 가스켓(2400)은, 상기 제2 실링 가스켓(2300)의 공기 유입구(2310)과 적층방향으로 연통하는 공기 유입구(2410), 상기 제2 실링 가스켓(2300)의 공기 유출구(2320)과 적층방향으로 연통하는 공기 유출구(2420)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제3 실링 가스켓(2400)은, 상기 제2 실링 가스켓(2300)의 연료 유입구(2330)과 적층방향으로 연통하는 연료 유입구(2430) 및 상기 제2 실링 가스켓(2300)의 연료 유출구(2340)과 연통하는 연료 유출구(2440)을 포함할 수 있다.
상기 제3 실링 가스켓(2400)의 중심부에도 개구부가 형성될 수 있다. 상기 제3 실링 가스켓(2400)의 개구부에는 전류집전체(2450)가 위치할 수 있다. 상기 제3 실링 가스켓(2400)의 개구부는 상기 전류집전체(2450)를 수용하도록 상기 전류집전체(2450)의 외형에 부합하는 형상 예를 들어, 사각형으로 이루어질 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 제3 실링 가스켓(2400)의 중심 개구부는 상기 제2 실링 가스켓(2300)의 중심 개구부 보다 작을 수 있다. 이로써, 상기 제3 실링 가스켓(2400)의 전류집전체(2450)는, 상기 제2 실링 가스켓(2300)의 중심 개구부에 수용되는 상기 단전지(2350)와 중첩될 수 있다.
또한, 상기 제3 실링 가스켓(2400)의 중심 개구부는 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 중심 개구부 보다 작을 수 있다. 이로써, 상기 제3 실링 가스켓(2400)의 중심 개구부에 수용되는 전류집전체(2450)은 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 중심 개구부에 수용되는 전류집전체(2250) 보다 작을 수 있다.
즉, 중심 개구부의 크기는 큰 순서대로, 제2 실링 가스켓(2300), 제1 실링 가스켓(2200), 제3 실링 가스켓(2400)가 될 수 있다. 이와 달리, 중심 개구부의 크기가 큰 순서대로 제2 실링 가스켓(2300), 제3 실링 가스켓(2400), 제1 실링 가스켓(2200) 순서가 될 수 있음은 물론이다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 제2 실링 가스켓(2300), 제1 실링 가스켓(2200), 제3 실링 가스켓(2400) 순서로 큰 중심 개구부를 가지는 경우를 상정하기로 한다.
이 경우, 상기 단전지(2350)의 하측은 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 내측 상면과 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 전류집전체(2250) 상면에 의하여 지지되며, 상기 단전지(2350)의 상측은, 상기 제3 실링 가스켓(2400)의 내측 하면과 상기 제3 실링 가스켓(2400)의 전류집전체(2450) 하면에 의하여 지지된다. 이 때, 상기 제3 실링 가스켓(2400)의 내측 하면으로 단전지(2350)를 지지하는 면적이 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 내측 상면으로 단전지(2350)를 지지하는 면적보다 넓게 된다. 또한, 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 전류집전체(2250)의 상면으로 단전지(2350)를 지지하는 면적이 상기 제3 실링 가스켓(2400)의 전류집전체(2450)의 하면으로 단전지(2350)를 지지하는 면적보다 넓게 된다. 다시 말해, 상기 단전지(2350)의 상면을 지지하는 상기 제3 실링 가스켓(2400)과 상기 제3 실링 가스켓(2400)의 개구부에 마련된 전류집전체(2450)의 면적 비율은, 상기 단전지(2350)의 하면을 지지하는 상기 제1 실링 가스켓(2200)과 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 개구부에 마련된 전류집전체(2250)의 면적과 서로 다른 형태를 가질 수 있다.
따라서, 상기 단전지(2350)를 지지하는 상면과 하면의 실링 가스켓과 전류집전체가 서로 상보적으로 배치되기 되므로, 단전지의 크랙을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 상기 단전지(2350)는 상기 제1 및 제3 실링 가스켓(2200, 2400)의, 내측과 중첩되므로, 밀봉성이 보다 개선될 수 있다.
상기 제3 실링 가스켓(2400)은 가스를 외부로 배출하며, 가스유도채널(2460, 2470)을 포함할 수 있다. 상기 가스유도채널(2460)은 상기 공기 유입구(2410)과 전류집전체(2450) 좌변 사이에 마련될 수 있다. 또한 상기 가스유도채널(2470)은 상기 공기 유출구(2420)과 전류집전체(2450) 우변 사이에 마련될 수 있다.
도 29를 참조하면, 상기 제2 가스 분리판(2500)은 앞서 설명한 제1 가스 분리판(1100, 2100) 및 제2 가스 분리판(1600)과 동일할 수 있다. 즉, 상기 제2 가스 분리판(2500)은 공기 유입구(2510), 공기 유출구(2520), 연료 유입구(2530), 연료 유출구(2540) 및 채널(2532, 2534)을 포함하여 이루어질 수 있다.
도 30을 참조하면, 상술한 제1 가스 분리판(2100), 제1 실링 가스켓(2200), 제2 실링 가스켓(2300), 제3 실링 가스켓(2400) 및 제2 가스 분리판(2500)이 적층됨으로써, 연료전지 스택유닛이 제공될 수 있다.
이로써, 외부로부터 유입된 공기는 공기 유입구들을 통하여, 유입될 수 있다. 유입된 공기는 채널(2122)을 통하여 상기 단전지(2350)의 공기극으로 제공될 수 있다. 또한, 외부로부터 유입된 연료는 연료 유입구들을 따라 유동하며, 채널(2532, 2542)을 통하여 상기 단전지(2350)의 연료극으로 제공될 수 있다.
이상, 도 25 내지 도 30을 참조하면 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지 스낵유닛을 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛의 가스 배출 방법을 설명하기로 한다.
도 31 및 도 32는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛의 가스 배출 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 31은 도 26 내지 28에 도시된 A-A' 선을 따른 단면을 도시하되, 제1 내지 제3 실링 가스켓(2200, 2300, 2400)이 적층된 것을 도시한다. 도 32는 도 31의 A 영역에 대한 확대도를 도시한다.
도 31 및 도 32를 참조하면, 연료가 채널을 통하여 단전지(2350)의 연료극으로 제공될 수 있다. 한편, 연료전지 스택유닛 내에서는 연료 및/또는 공기로 이루어진 가스가 누설될 수 있다. 예를 들어, 가스는 실링 가스켓들의 적층 경계면을 따라 누설될 수도 있고, 실링 가스켓의 재질 자체를 침투하여 누설될 수도 있다. 만약, 누설되는 가스를 방치하는 경우, 발전효율이 감소되는 문제를 야기할 수 있다.
그러나, 본 발명의 제3 실시 예에 따르면, 상기 연장 개구부(2355) 및 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 가스유도채널(2260, 2270)이 연통됨으로써, 누설되는 가스를 즉각적으로 제거할 수 있다.
도 31에 도시된 바와 같이, 상기 단전지(2350)를 사이에 두고, 상기 전류집전체(2250)의 상면과 상기 전류집전체(2450)의 하면이 상기 단전지(2350)를 지지하는 면적이 다를 수 있다. 또한, 상기 단전지(2350)를 사이에 두고, 상기 제1 실링 가스켓(2200)의 내측 상면과 상기 제3 실링 가스켓(2400)의 내측 하면이 상기 단전지(2350)를 지지하는 면적이 다를 수 있다. 이로써, 단전지(2350)는 상기 단전지(2350)의 상면과 하면으로부터 상호 보완적인 지지력을 제공받을 수 있다. 이로써, 단전지(2350)의 크랙 발생 가능성이 감소될 수 있다.
이상 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛을 설명하였다. 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛도 도 14를 참조하여 설명한 바와 같이 연료전지 스택으로 구성될 수 있음은 물론이다.
또한, 본 발명의 제1 내지 제3 실시 예는 개별적으로 실시될 수도 있으나, 적어도 두 개의 실시 예가 조합되어 실시될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 제1 및 제2 실시 예가 조합될 수도 있고, 제1 및 제3 실시 예가 조합될 수도 있고, 제2 및 제3 실시 예가 조합될 수도 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10: 공기 유입구
10a: 제1 채널
20: 공기 배출구
20a: 제2 채널
25: 컷-오프(cut-off) 구조
30: 연료 유입구
30a: 제3 채널
40: 연료 배출구
40a: 제4 채널
101: 제1 가스 분리판
102: 제2 가스 분리판
105: 중간 가스 분리판
101a, 102a, 105a: 제1 면
101b, 102b, 105b: 제2 면
200: 제1 실링 가스켓
200(1-1): 제1-1 실링 가스켓
200(1-2): 제1-2 실링 가스켓
250: 제1 전류집전부
250(1-1): 제1-1 전류집전부
250(1-2): 제1-2 전류집전부
270: 가스유도채널
270(1-1): 제1-1 가스유도채널
270(1-2): 제1-2 가스유도채널
300: 금속지지체
301: 제1 금속지지체
302: 제2 금속지지체
400: 연료전지용 단전지
401: 제1 연료전지용 단전지
402: 제2 연료전지용 단저지
420, 421, 422: 연료극
430, 431, 432: 공기극
500: 제2 실링 가스켓
500(2-1): 제2-1 실링 가스켓
500(2-2): 제2-2 실링 가스켓
550: 제2 전류집전부
550(2-1): 제2-1 전류집전부
550(2-2): 제2-2 전류집전부
570: 가스유도채널
570(2-1): 제2-1 가스유도채널
570(2-2): 제2-2 가스유도채널
1000: 연료전지용 스택유닛
2000: 연료전지 스택
400: 전압 측정 단자
800: 전력제어장치
810: 출력장치
812: 전력변환장치
814: 계통연계장치
820: 축전장치
830: 충방전 제어장치
840: 시스템제어장치
910: AC 부하
920: 다른 전력계통
R: 마루
V: 골
C-CL: 연료전지용 단전지 중심선
S-CL: 제2 실링 가스켓 중심선
1100: 제1 가스 분리판
1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610: 공기 유입구
1120, 1220, 1320, 1420, 1520, 1620: 공기 배출구
1130, 1230, 1330, 1430, 1530, 1630: 연료 유입구
1140, 1240, 1340, 1440, 1540, 1640: 연료 배출구
1200: 제1 실링 가스켓
1250: 단전지
1260, 1270, 1360, 1370, 1560, 1570: 가스유도채널
1300: 제2 실링 가스켓
1355: 제2-1 가스유도채널
1720: 전류집전체
1400: 제3 실링 가스켓
1462, 1472: 제3-1 가스유도채널
1464, 1474: 제3-2 가스유도채널
1460, 1470: 제3-3 가스유도채널
1500: 제4 실링 가스켓
1600: 제2 가스 분리판
2100: 제1 가스 분리판
2110, 2210, 2310, 2410, 2510: 공기 유입구
2120. 2220, 2320, 2420, 2520: 공기 유출구
2130, 2230, 2330, 2430, 2530: 연료 유입구
2140, 2240, 2340, 2440, 2540: 연료 유출구
2200: 제1 실링 가스켓
2250: 전류집전체
2260, 2270, 2460, 2470: 가스유도채널
2300: 제2 실링 가스켓
2350: 단전지
2355: 연장 개구부
2400: 제3 실링 가스켓
2450: 전류집전체

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  15. 중심부에 단전지가 수용되는 제1 실링 가스켓;
    상기 제1 실링 가스켓 상에 적층되며, 상기 단전지의 주변부를 덮으며, 상기 단전지 상측을 개구하는 제2-1 가스유도채널이 형성된 제2 실링 가스켓; 및
    상기 제2 실링 가스켓의 상층에 적층되며, 상기 제2-1 가스유도채널과 적층방향으로 연통하는 제3-1 가스유도채널 및 상기 제3-1 가스유도채널의 가스를 외부로 배출하는 제3-3 가스유도채널을 포함하는 제3 실링 가스켓을 포함하는 연료전지 스택유닛.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 제2 실링 가스켓은, 상기 단전지의 표면 보다 작은 넓이를 개구하는 개구부를 더 포함하며,
    상기 제2-1 가스유도채널은, 상기 개구부와 이격하여 형성된 연료전지 스택유닛.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 제2-1 가스유도채널은, 상기 개구부를 둘러싸는 폐루프 형상을 가지는 연료전지 스택유닛.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 제2 실링 가스켓은, 상기 제2-1 가스유도채널과 이격하는 제2-2 가스유도채널을 더 포함하는 연료전지 스택유닛.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 제2-2 가스유도채널은, 상기 제3-3 가스유도채널과 적층방향으로 연통하는 연료전지 스택유닛.
  20. 제15 항에 있어서,
    상기 제3 실링 가스켓은, 상기 제3-1 가스유도채널과 상기 제3-1 가스유도채널을 상기 제3 실링 가스켓의 면 방향으로 연결하는 제3-2 가스유도채널을 더 포함하는 연료전지 스택유닛.
  21. 제15 항에 있어서,
    상기 제1 실링 가스켓의 하측에 적층되며, 상기 단전지의 면 방향으로 공기 유동을 제공하는 채널이 형성된 제1 가스 분리판을 더 포함하는 연료전지 스택유닛.
  22. 중심부에 개구부가 형성되며, 상기 개구부와 이격하여 형성되되, 가스를 외부로 배출하는 가스유도채널이 형성된 제1 실링 가스켓; 및
    상기 제1 실링 가스켓에 적층되며, 상기 제1 실링 가스켓의 개구부보다 넓은 단전지가 수용되는 제2 실링 가스켓;을 포함하되,
    상기 제2 실링 가스켓의 개구부는, 상기 제1 실링 가스켓의 가스유도채널과 적층방향으로 연통하도록 연장된 연장 개구부를 더 포함하는 연료전지 스택유닛.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 제2 실링 가스켓에 적층되며, 상기 제1 실링 가스켓의 개구보보다 좁은 크기를 가지는 개구부가 형성된 제3 실링 가스켓을 더 포함하는 연료전지 스택유닛.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 제1 실링 가스켓의 개구부 및 상기 제3 실링 가스켓의 개구부에는 전류집전체가 마련되는 연료전지 스택유닛.
  25. 제24 항에 있어서,
    상기 제1 실링 가스켓의 개구부에 마련된 전류집전체와 상기 제3 실링 가스켓의 개구부에 마련된 전류집전체의 면적은 서로 다른 연료전지 스택유닛.
  26. 제25 항에 있어서,
    상기 단전지의 상면을 지지하는 상기 제3 실링 가스켓과 상기 제3 실링 가스켓의 개구부에 마련된 전류집전체의 면적 비율은, 상기 단전지의 하면을 지지하는 상기 제1 실링 가스켓과 상기 제1 실링 가스켓의 개구부에 마련된 전류집전체의 면적과 서로 다른 연료전지 스택유닛.
  27. 제15 항 내지 제26 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 스택유닛이 연속적으로 적층된 연료전지 스택.
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