KR102143266B1

KR102143266B1 - Unit cell for fuel cell and fuel cell stack having the same

Info

Publication number: KR102143266B1
Application number: KR1020170104785A
Authority: KR
Inventors: 한원상; 김영태; 임예훈; 홍유식
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2017-08-18
Filing date: 2017-08-18
Publication date: 2020-08-10
Also published as: KR20190019613A

Abstract

본 발명은 연료전지용 단위 모듈 및 이를 포함하는 연료전지용 스택에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 공기극 및 연료극 인터커넥트에 단차부를 제공하고 스페이서를 생략하여 연료전지에 전달되는 하중을 각 구성에 균일하게 전달할 수 있는 연료전지용 단위 모듈 및 이를 포함하는 연료전지용 스택에 관한 것이다. The present invention relates to a unit module for a fuel cell and a stack for a fuel cell including the same, and in more detail, by providing a stepped portion to the cathode and anode interconnects and omitting the spacer, the load transmitted to the fuel cell is uniformly transmitted to each component. It relates to a fuel cell unit module and a fuel cell stack including the same.

Description

연료전지용 단위 모듈 및 이를 포함하는 연료전지용 스택{UNIT CELL FOR FUEL CELL AND FUEL CELL STACK HAVING THE SAME} Unit module for fuel cell and stack for fuel cell including the same {UNIT CELL FOR FUEL CELL AND FUEL CELL STACK HAVING THE SAME}

본 발명은 연료전지용 단위 모듈 및 이를 포함하는 연료전지용 스택에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 공기극 및 연료극 인터커넥트에 단차부를 제공하고 스페이서를 생략하여 연료전지에 전달되는 하중을 각 구성에 균일하게 전달할 수 있는 연료전지용 단위 모듈 및 이를 포함하는 연료전지용 스택에 관한 것이다. The present invention relates to a unit module for a fuel cell and a stack for a fuel cell including the same, and in more detail, by providing a stepped portion to the cathode and anode interconnects, and omitting the spacer, the load transmitted to the fuel cell is uniformly transmitted to each component. It relates to a fuel cell unit module and a fuel cell stack including the same.

일반적으로, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.In general, a fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen contained in a hydrocarbon-based material and air containing oxygen or oxygen into electrical energy.

예를 들어, 고체 산화물 연료 전지는 수소와 산소의 산화/환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 단위 전지와 인터커넥트로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 단위 전지는 전해질막과, 전해질막의 일면에 위치하는 양극(공기극)과, 전해질막의 다른 일면에 위치하는 음극(연료극)을 포함한다.For example, a solid oxide fuel cell has a structure in which a plurality of electricity generation units comprising an interconnect and a unit cell generating electricity through an oxidation/reduction reaction of hydrogen and oxygen are stacked. The unit cell includes an electrolyte membrane, an anode (air electrode) disposed on one side of the electrolyte membrane, and a cathode (fuel electrode) disposed on the other side of the electrolyte membrane.

이에 양극에 산소를 공급하고 음극에 수소를 공급하면, 양극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질막을 지나 음극으로 이동한 후 음극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 음극에서 생성된 전자가 양극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다. Accordingly, when oxygen is supplied to the anode and hydrogen is supplied to the cathode, oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen from the anode move to the cathode through the electrolyte membrane and then react with the hydrogen supplied to the cathode to generate water. At this time, electrons flow to an external circuit while electrons generated from the negative electrode are transferred to and consumed by the positive electrode, and the unit cell generates electrical energy by using the electron flow.

도 1을 참고하면, 종래 고체 산화물 연료 전지는 단위셀, 인터커넥트, 윈도우 프레임 및 스페이서가 포함된다. 이때, 각 구성들을 접착하기 위해 각 구성들 사이 밀봉재(sealant)가 포함된다. 따라서, 인터커넥트와 윈도우 프레임 사이 공간에 스페이서 및 밀봉재가 위치되게 된다. Referring to FIG. 1, a conventional solid oxide fuel cell includes a unit cell, an interconnect, a window frame, and a spacer. At this time, a sealant is included between the components to adhere each component. Accordingly, spacers and sealants are positioned in the space between the interconnect and the window frame.

아울러, 상술한 고체 산화물 연료 전지가 복수개 적층될 경우, 예를 들어, 2개의 단위 전지를 적층하기 위해서는 인터커넥트, 단위 전지, 윈도우 프레임, 스페이서, 집전체가 각각 2개씩 구성되고, 두 개의 단위 전지 사이 하나의 분리판이 더 포함되는 구성으로 제공되었다. In addition, when a plurality of the above-described solid oxide fuel cells are stacked, for example, in order to stack two unit cells, two interconnects, unit cells, window frames, spacers, and current collectors are each configured, and between two unit cells. It was provided in a configuration that further includes one separator.

따라서, 종래 고체 산화물 연료 전지는 실링 온도에서 외부 하중이 가해졌을 때, 인터커넥트의 유로를 통해 하중이 전달됨으로써, 하중이 연료 전지의 중심부로 전달되어 하중 전달 불균형이 발생하였다. 또한, 종래 고체 산화물 연료 전지는 인터커넥터와 윈도우 프레임 사이 하중을 전달하는 구성인 스페이서가 더 포함될 수 있는데, 기둥 형태로 제공되는 스페이서를 통해 하중이 전달되면 스페이서와 접촉되는 면에 하중이 집중되어 윈도우 프레임이 변형이 일어날 수 있는 문제점이 발생하였다. Accordingly, in the conventional solid oxide fuel cell, when an external load is applied at the sealing temperature, the load is transmitted through the flow path of the interconnect, so that the load is transmitted to the center of the fuel cell, resulting in a load transfer imbalance. In addition, the conventional solid oxide fuel cell may further include a spacer, which is a configuration that transmits a load between the interconnector and the window frame. When the load is transmitted through the spacer provided in the form of a column, the load is concentrated on the surface in contact with the spacer and the window There is a problem that the frame may be deformed.

이에, 스페이서가 생략되고 연료 전지 가장자리에 하중이 전달될 수 있는 구성이 제공되어 하중 불균형을 방지하는 연료 전지가 필요한 실정이다. Accordingly, a configuration in which a spacer is omitted and a load can be transmitted to the edge of the fuel cell is provided, so that a fuel cell is required to prevent load imbalance.

한국등록특허 제10-1603449호Korean Patent Registration No. 10-1603449

본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 외부에서 가해지는 압력을 연료전지의 면적에 균형되게 분배하기 위해 인터커넥트 일면에 단차부가 제공된 연료전지용 단위 모듈 및 스택을 제공하는 것이다. The present invention was conceived to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a unit module and a stack for a fuel cell provided with a stepped portion on one surface of an interconnect in order to distribute externally applied pressure to the area of the fuel cell in a balanced manner. Is to do.

또한, 본 발명의 목적은, 인터커넥트 일면에 단차부를 형성하여, 인터커넥트와 윈도우 프레임 사이 위치되는 스페이서를 생략함으로써 구성 요소가 감소된 연료전지용 단위 모듈 및 스택을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a unit module and a stack for a fuel cell in which components are reduced by forming a stepped portion on one surface of an interconnect and omitting a spacer positioned between the interconnect and the window frame.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 단위 모듈은 단위셀; 상기 단위셀의 가장자리에 위치되고, 공기 및 연료를 분배하는 윈도우 프레임; 상기 단위셀 상부에 위치되고, 상기 공기를 상기 단위셀로 유동시키는 공기극 유로가 형성된 공기극 인터커넥트; 및 상기 단위셀 하부에 위치되고, 상기 연료를 상기 단위셀로 유동시키는 연료극 유로가 형성된 연료극 인터커넥트;를 포함하고, 상기 공기극 인터커넥트 및 상기 연료극 인터커넥트 중 어느 하나 이상은, 상기 유로 가장자리에 이격되어 제공되는 단차부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. A unit module for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a unit cell; A window frame positioned at an edge of the unit cell and distributing air and fuel; A cathode interconnect located above the unit cell and having a cathode flow path for flowing the air into the unit cell; And an anode interconnect located under the unit cell and having an anode flow path for flowing the fuel to the unit cell, wherein at least one of the cathode interconnect and the anode interconnect is provided to be spaced apart from the edge of the flow channel. It characterized in that it further comprises a step portion;

일 실시예에서, 상기 단차부는, 높이가 상기 공기극 유로 및 상기 연료극 유로 중 어느 하나와 같거나 낮은 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the stepped portion is characterized in that the height is equal to or lower than one of the cathode flow path and the anode flow path.

일 실시예에서, 상기 단차부는, 높이가 상기 공기극 유로 및 상기 연료극 유로 중 어느 하나와 같거나 높은 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the stepped portion is characterized in that the height is equal to or higher than any one of the cathode flow path and the anode flow path.

일 실시예에서, 상기 단차부는, 상기 공기극 및 연료극 인터커넥트의 세로 방향을 따라 길이를 가지는 바 형태로 제공되는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the stepped portion is provided in a bar shape having a length along a longitudinal direction of the cathode and anode interconnects.

일 실시예에서, 상기 단차부는, 일정한 패턴으로 제공되는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the stepped portion is characterized in that it is provided in a certain pattern.

일 실시예에서, 상기 윈도우 프레임은, 상기 단위셀이 안착되는 안착홈이 형성되고, 상기 안착홈의 양쪽 가장자리에 유로가 형성되는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, in the window frame, seating grooves in which the unit cells are seated are formed, and flow paths are formed at both edges of the seating grooves.

본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 스택은 연료전지용 단위 모듈이 하나 이상 적층되는 것을 특징으로 한다. A fuel cell stack according to an embodiment of the present invention is characterized in that one or more unit modules for a fuel cell are stacked.

일 실시예에서, 상기 연료전지용 스택은, 하나 이상의 상기 단위 모듈 사이 분리판;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the fuel cell stack may further include a separation plate between one or more unit modules.

일 실시예에서, 상기 분리막은, 양 면에 각각 유로 및 단차부가 제공되는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the separation membrane is characterized in that the flow path and step portions are provided on both sides, respectively.

일 실시예에서, 상기 분리막은, 상측 면에 연료극 유로 및 하측 면에 공기극 유로가 제공되는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the separation membrane is characterized in that the anode flow path is provided on the upper side and the cathode flow path on the lower side.

본 발명에 따르면, 인터커넥트의 단차부가 윈도우 프레임과 대응되는 위치에 제공됨으로써, 외부에서 가해지는 압력이 단차부 및 인터커넥트 유로를 통해 연료전지에 균일하게 분포되는 효과가 발생하게 된다. According to the present invention, since the step portion of the interconnect is provided at a position corresponding to the window frame, an effect of uniformly distributing the pressure applied from the outside to the fuel cell through the step portion and the interconnect flow path occurs.

또한, 본 발명에 따르면, 인터커넥트의 단차부에 의해 연료전지용 단위 모듈의 구성 중 스페이서가 생략가능하고, 따라서, 연료전지에 하중 전달 시 윈도우 프레임이 변형되는 것을 방지할 수 있는 효과가 발생하게 된다. In addition, according to the present invention, the spacer can be omitted in the configuration of the unit module for a fuel cell due to the stepped portion of the interconnect, and thus, an effect of preventing the window frame from being deformed when a load is transmitted to the fuel cell is generated.

도 1은 종래 고체 산화물 연료전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 단위 모듈을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 스택을 도시한 단면도이다.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기극 인터커넥트이고, 도 4(b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 공기극 인터커넥트이다.
도 5(a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료극 인터커넥트이고, 도 5(b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료극 인터커넥트이다. 1 is a cross-sectional view showing a conventional solid oxide fuel cell.
2 is a cross-sectional view illustrating a unit module for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
4(a) is a cathode interconnect according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4(b) is a cathode interconnect according to another embodiment of the present invention.
5(a) is an anode interconnect according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5(b) is an anode interconnect according to another embodiment of the present invention.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다. The present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings as follows. Here, repeated descriptions and detailed descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted. Embodiments of the present invention are provided to completely explain the present invention to those with average knowledge in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless otherwise stated.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments are provided to help understanding of the present invention. However, the following examples are only provided to more easily understand the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the examples.

<연료전지용 단위 모듈><Unit module for fuel cell>

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 단위 모듈을 도시한 단면도이고, 도 4(a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기극 인터커넥트이고, 도 4(b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 공기극 인터커넥트이고, 도 5(a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료극 인터커넥트이고, 도 5(b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료극 인터커넥트이다. 2 is a cross-sectional view showing a unit module for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, FIG. 4(a) is a cathode interconnect according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4(b) is another embodiment of the present invention. An anode interconnect according to an example, FIG. 5(a) is an anode interconnect according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5(b) is an anode interconnect according to another embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 연료전지용 단위 모듈은 단위셀(도시되지 않음), 윈도우 프레임(20), 공기극 인터커넥트(30), 연료극 인터커넥트(40) 및 실란트(50)를 포함할 수 있다. The unit module for a fuel cell according to the present invention may include a unit cell (not shown), a window frame 20, a cathode interconnect 30, an anode interconnect 40, and a sealant 50.

단위셀은 공기극(양극, cathode, 11), 전해질(12) 및 연료극(음극, anode, 13)을 포함할 수 있고, 단위 모듈 및 고체 산화물 연료전지 스택에 전기를 발생시키는 역할을 할 수 있다. 연료극(13)에 연료를 공급해주면 연료가 산화되어 전자가 외부회로를 통하여 방출되고, 공기극(11)에 산소를 공급해주면 외부회로로부터 전자를 받아서 산소이온으로 환원된다. 환원된 산소이온은 전해질을 통해 연료극(13)으로 이동하여 산화된 연료와 반응하여 물을 생성한다. 이때, 연료극(13)에서 공기극(11)으로의 전자 흐름으로 직류 전기를 생산하게 된다. 단위셀(10)은 전해질 자립막식, 음극 지지체식 및 다공성지지체 세 가지 구조를 가질 수 있다. The unit cell may include an air electrode (anode, cathode, 11), an electrolyte 12, and an anode (cathode, anode, 13), and may serve to generate electricity to the unit module and the solid oxide fuel cell stack. When fuel is supplied to the anode 13, the fuel is oxidized and electrons are released through an external circuit. When oxygen is supplied to the cathode 11, electrons are received from an external circuit and are reduced to oxygen ions. The reduced oxygen ions move to the anode 13 through the electrolyte and react with the oxidized fuel to generate water. At this time, direct current electricity is produced by the flow of electrons from the anode 13 to the cathode 11. The unit cell 10 may have three structures: an electrolyte self-supporting membrane type, a negative electrode support type, and a porous support type.

본 발명에 따른 단위셀(10)은 음극 지지체식 구조로 형성될 수 있다. 공기극(11)은 공기극(11)에서 생성되는 산소 이온과 전해질층(12)을 접촉시켜 전해질층(12)의 환원을 억제하는 역할을 하므로, 면적이 넓을수록 연료전지의 효율이 증가될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 음극(11)은 공기극 인터커넥트(20)와 접촉되지 않는 범위 내에서 넓게 형성될 수 있다. The unit cell 10 according to the present invention may be formed in a cathode support structure. Since the cathode 11 serves to suppress the reduction of the electrolyte layer 12 by contacting the oxygen ions generated in the cathode 11 with the electrolyte layer 12, the larger the area, the higher the efficiency of the fuel cell. . Accordingly, the cathode 11 according to the present invention may be formed widely within a range not in contact with the cathode interconnect 20.

윈도우 프레임(20)은 단위셀(10)의 측면에 위치되어, 단위셀(10)을 지지하고, 연료전지 외부에서 공급되는 연료 및 공기가 서로 섞이지 않도록 하는 역할을 할 수 있다. 즉, 연료전지의 상부 및 하부 중 어느 한 방향에서 공급되는 연료 및 공기 중 연료가 단위셀로 공급되는 것을 방지하고, 공기는 단위셀의 공기극(11)으로 공급해 주는 역할을 할 수 있다. 따라서, 윈도우 프레임(20)은 외부에서 유입된 공기가 단위셀로 유동될 수 있게 일면에 유로가 형성될 수 있다. 이때, 유로는 후술되는 안착홈의 양쪽 가장자리에 형성될 수 있고, 후술되는 공기극 인터커넥트(30)에 형성된 유로가 동일한 형태로 제공되는 것을 유의한다. The window frame 20 is located on the side of the unit cell 10, supports the unit cell 10, and serves to prevent the fuel and air supplied from the outside of the fuel cell from being mixed with each other. That is, the fuel supplied from one of the upper and lower directions of the fuel cell and the fuel among air may be prevented from being supplied to the unit cell, and air may serve to supply the air to the cathode 11 of the unit cell. Accordingly, the window frame 20 may have a flow path formed on one surface of the window frame 20 so that air introduced from the outside can flow to the unit cell. In this case, it should be noted that the flow path may be formed at both edges of the mounting groove to be described later, and the flow path formed in the cathode interconnect 30 to be described later is provided in the same shape.

그리고, 윈도우 프레임(20)은 단위셀이 안착되는 안착홈이 형성될 수 있고, 공기극(11)과 접촉되지 않을 만큼 가장자리에 일정 넓이를 가지는 프레임 형태로 제공될 수 있다. 단위셀을 연료극 인터커넥트(40)와 접촉 및 고정시키기 위해 윈도우 프레임(20) 상부 프레임과 하부 프레임의 폭이 상이하게 형성될 수 있다. 즉, 윈도우 프레임(20)은 단위셀과 접촉되는 부분의 두께보다 공기극 및 연료극 인터커넥트(30, 40) 사이에 적층되는 부분의 두께가 더 두껍게 형성될 수 있다. 따라서, 윈도우 프레임(20)의 단면이 '┌'의 형태로 제공될 수 있다. In addition, the window frame 20 may have a seating groove in which the unit cell is seated, and may be provided in the form of a frame having a predetermined area at the edge so as not to contact the air electrode 11. In order to contact and fix the unit cell with the anode interconnect 40, the upper frame and the lower frame of the window frame 20 may have different widths. That is, the window frame 20 may have a thickness of a portion stacked between the cathode and anode interconnects 30 and 40 than the thickness of the portion in contact with the unit cell. Accordingly, the cross section of the window frame 20 may be provided in the form of'┌'.

윈도우 프레임(20)의 일부와 실란트(50)의 상부가 접합되는 형태로 제조되어 실란트(50)에 수직 면압을 가함으로써, 실란트(50)를 균일한 두께로 수축하고, 단위셀과 윈도우 프레임(20)을 견고하게 접합시킬 수 있다. It is manufactured in a form in which a part of the window frame 20 and the upper portion of the sealant 50 are bonded, and by applying a vertical surface pressure to the sealant 50, the sealant 50 is contracted to a uniform thickness, and the unit cell and the window frame ( 20) can be firmly bonded.

윈도우 프레임(20)은 단위셀 및 인터커넥트(30, 40)가 휘거나 처지지 않도록 강도를 보강하기 위해 금속제로 제조될 수 있다. 윈도우 프레임(20)은 단위셀이 작동하는 약 600 내지 1000의 고온에서 견딜 수 있도록 열에 상대적으로 강한 크롬(Cr) 물질을 일부 포함할 수 있다. 또한, 윈도우 프레임(20)은 니켈(Ni) 및 철(Fe) 추가로 포함하는 금속 혼합 물질로 이루어질 수 있다. The window frame 20 may be made of metal to reinforce strength so that the unit cells and interconnects 30 and 40 do not bend or sag. The window frame 20 may include a portion of a chromium (Cr) material that is relatively strong in heat so as to withstand a high temperature of about 600 to 1000 in which the unit cell operates. Further, the window frame 20 may be made of a metal mixed material additionally including nickel (Ni) and iron (Fe).

윈도우 프레임(20)은 연료전지의 상부 및 하부 중 어느 한 방향에서 공급되는 연료 및 공기의 흐름에 따라 하나 이상의 연료홀 및 공기홀(도시되지 않음)이 형성될 수 있고, 연료홀 및 공기홀은 대향되는 방향에 한 쌍으로 형성될 수 있다. 좀 더 상세하게는, 윈도우 프레임(20) 가장자리에 하나 이상의 홀이 형성되어 있는데, 예를 들어, 우측 및 좌측의 홀이 단위 모듈에 유입되는 공기를 유동시키는 공기홀 역할을 할 경우, 상측 및 하측에 형성된 홀은 연료홀 역할을 할 수 있다. The window frame 20 may have one or more fuel holes and air holes (not shown) formed according to the flow of fuel and air supplied from one of the upper and lower portions of the fuel cell, and the fuel holes and air holes It can be formed as a pair in opposite directions. In more detail, one or more holes are formed at the edge of the window frame 20, for example, when the right and left holes serve as air holes for flowing air flowing into the unit module, the upper and lower sides The hole formed in may serve as a fuel hole.

공기극 및 연료극 인터커넥트(30, 40)는 단위셀 상부 및 하부에 각각 위치될 수 있다. 좀 더 상세하게는, 공기극 인터커넥트(30)는 공기극(11) 상부에 위치되고 단위셀에 공급되는 공기를 공기극(11)으로 유동시킬 수 있고, 연료극 인터커넥트(40)는 연료극(13) 하부에 위치되고 외부에서 공급된 연료를 단위셀의 연료극(13)으로 유동시킬 수 있다. 따라서, 공기극 및 연료극 인터커넥트(30, 40)는 공기 및 연료가 공급되고 유동되기 위해 각각 공기극 유로(32) 및 연료극 유로(42)가 형성될 수 있다. 공기극 및 연료극 유로(32, 42)는 유로부(32a, 42a) 및 유로 형성부(32b, 42b)를 포함할 수 있다. 유로부(32a, 42a)는 공기 및 수소 중 어느 하나의 기체가 공급 및 유동되는 길의 역할을 할 수 있고, 유로 형성부(32b, 42b)는 유로부(32a, 42a)를 형성하기 위한 것으로, 일정한 높이를 가지고 있는 기둥형상으로 제공될 수 있다. 그리고, 유로 형성부(32b, 42b)는 유로부(32a, 42a) 양 옆에 형성되어 공기 및 수소가 다른 유로(32, 42)로 유출되는 것을 방지할 수 있다. The cathode and anode interconnects 30 and 40 may be positioned above and below the unit cell, respectively. In more detail, the cathode interconnect 30 is located above the cathode 11 and can flow air supplied to the unit cell to the cathode 11, and the anode interconnect 40 is located under the anode 13 And it is possible to flow the fuel supplied from the outside to the anode 13 of the unit cell. Accordingly, the cathode and anode interconnects 30 and 40 may have a cathode flow path 32 and an anode flow path 42 respectively formed to supply and flow air and fuel. The cathode and anode flow paths 32 and 42 may include flow path portions 32a and 42a and flow path forming portions 32b and 42b. The flow path parts 32a and 42a may serve as a path through which any one of air and hydrogen gas is supplied and flowed, and the flow path forming parts 32b and 42b are for forming the flow path parts 32a and 42a. , It can be provided in a column shape with a certain height. Further, the flow path forming portions 32b and 42b are formed on both sides of the flow path portions 32a and 42a to prevent air and hydrogen from flowing out to the other flow paths 32 and 42.

공기극 및 연료극 인터커넥트(30, 40)에 형성된 유로(32, 42)는 요철 구조로써 공기극 및 연료극 인터커넥트(30, 40)의 상면 및 하면 중 어느 한 면에 형성될 수 있다. 또한, 공기극 인터커넥트(30)에 형성된 공기극 유로(32)와 연료극 인터커넥트(40)에 형성된 연료극 유로(42)는 수직한 방향으로 형성되어 서로 연통되지 않는 것을 유의한다. 즉, 공기극 유로 형성부(32b)와 연료극 유로 형성부(42b)는 수직한 방향으로 형성될 수 있다. The flow paths 32 and 42 formed in the cathode and anode interconnects 30 and 40 have an uneven structure and may be formed on either of the upper and lower surfaces of the cathode and anode interconnects 30 and 40. In addition, it should be noted that the cathode flow path 32 formed in the cathode interconnect 30 and the anode flow path 42 formed in the anode interconnect 40 are formed in a vertical direction and do not communicate with each other. That is, the cathode channel forming portion 32b and the anode channel forming portion 42b may be formed in a vertical direction.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 단위 모듈은 공기극 인터커넥터(30)에 단차부(31)가 제공될 수 있다. 단차부(31)는 공기극 유로(32)의 가장자리와 이격되어 제공될 수 있고, 높이는 변형가능하나, 공기극 인터커넥트(30)에 형성된 유로 형성부(32b)의 높이와 같거나 낮은 것이 바람직하다. In an embodiment of the present invention, the unit module may be provided with a step portion 31 on the cathode interconnect 30. The stepped portion 31 may be provided to be spaced apart from the edge of the cathode flow path 32, and the height may be deformable, but it is preferably equal to or lower than the height of the flow path forming portion 32b formed in the cathode interconnect 30.

아울러, 단차부(32)는 바 형태 혹은 일정한 패턴으로 제공될 수 있다. 도 4(a)를 참고하면, 바 형태로 제공될 경우, 공기극 인터커넥트(30)에 형성된 유로 형성부(32b)와 동일한 형태로 제공될 수 있다. 즉, 유로 형성부(32b) 중 짧은 폭을 가지는 방향이 가로, 긴 폭을 가지는 방향이 세로를 의미할 경우, 단차부(32)는 가로 보다 세로가 길게 제공될 수 있다. 따라서, 단차부(32)는 가장자리에 위치된 유로 형성부(32b)와 일정거리 이격되어 형성될 수 있다. 도 4(b)를 참고하면, 공기극 인터커넥터(30)에 형성된 단차부(31)가 일정한 패턴으로 제공될 경우, 하나 이상의 단차부(31)는 유로 형성부(32b)의 세로 방향으로 이격되어 제공될 수 있다. In addition, the step portion 32 may be provided in a bar shape or in a certain pattern. Referring to FIG. 4A, when provided in a bar shape, it may be provided in the same shape as the flow path forming portion 32b formed in the cathode interconnect 30. That is, when a direction having a short width among the flow path forming portions 32b means a horizontal and a direction having a long width means a vertical, the stepped portion 32 may be provided longer than the horizontal. Accordingly, the stepped portion 32 may be formed to be spaced apart from the flow path forming portion 32b positioned at the edge by a predetermined distance. Referring to FIG. 4(b), when the step portion 31 formed on the cathode interconnect 30 is provided in a constant pattern, one or more step portions 31 are spaced apart in the vertical direction of the flow path forming portion 32b. Can be provided.

따라서, 실링 온도에서 연료전지에 가해지는 압력이 공기극 유로(32) 및 단차부(31) 분산됨으로써, 공기극 인터커넥트(20)에서 윈도우 프레임(20)으로 하중이 균일하게 전달될 수 있다. Accordingly, the pressure applied to the fuel cell at the sealing temperature is dispersed in the cathode flow path 32 and the step portion 31, so that the load can be uniformly transmitted from the cathode interconnect 20 to the window frame 20.

일 실시 예에 따른 단위 모듈은 윈도우 프레임(20)과 연료극 인터커넥트(40) 사이 스페이서(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 스페이서는 윈도우 프레임(20)과 연료극 인터커넥트(40) 사이 간격을 유지하는 역할을 할 수 있다. 그리고, 스페이서(30)는 단면 및 평면이 원형, 타원형, 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률각형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형으로 형성된 군에서 선택된 어느 하나의 모양으로 형성될 수 있으며, 도체 및 절연체 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다. The unit module according to an embodiment may further include a spacer (not shown) between the window frame 20 and the anode interconnect 40. The spacer may serve to maintain a gap between the window frame 20 and the anode interconnect 40. In addition, the spacer 30 may be formed in any one shape selected from the group consisting of a circular, elliptical, and curvatured square, a triangle, a square, a pentagon, and a hexagon, in which the cross-section and plane are circular, elliptical, and vertex curvature. It may be made of any one or more of the materials.

나아가, 단위 모듈은 실링재(60)를 더 포함할 수 있다. 실링재(60)는 윈도우 프레임(20)과 단위셀, 공기극 인터커넥트(30) 및 연료극 인터커넥트(40) 각각의 사이에 위치되어 단위 모듈의 각 구성을 접합시키는 역할을 할 수 있다. 그리고, 단위셀에 주어지는 충격을 완화하는 완충제로써 역할도 수행할 수 있다. 실링재(60)는 유리 및 결정화 유리 중 어느 하나로 형성될 수 있고, 고온에서 유동성을 가지는 성질을 가지고 있다. Furthermore, the unit module may further include a sealing material 60. The sealing material 60 may be positioned between the window frame 20 and the unit cell, the cathode interconnect 30, and the anode interconnect 40 to bond each component of the unit module. In addition, it can also play a role as a buffer to alleviate the impact applied to the unit cell. The sealing material 60 may be formed of either glass or crystallized glass, and has a property of having fluidity at high temperatures.

본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 단위 모듈은 연료극 인터커넥트(40)에 단차부(41)가 제공될 수 있다. 단차부(41)는 연료극 인터커넥트(40)에 형성된 유로 형성부(42b)의 양측 단면과 이격되어 제공될 수 있고, 단차부(41)의 높이는 제한하지 않으나, 유로 형성부(42b) 높이와 같거나 높은 것이 바람직하다. 그리고, 단차부(41)는 유로 형성부(42b)와 바 형태 혹은 일정한 패턴으로 제공될 수 있다. 도 5(a)를 참고하면, 단차부(41)가 바 형태로 제공될 경우, 하나의 단차부(41)가 유로 형성부의 짧은 양 측 단면을 따라 길이를 가지는 형태로 제공될 수 있다. 그리고, 도 5(b)를 참고하면, 연료극 인터커넥트(40) 일면에 형성된 단차부(41)가 일정한 패턴으로 제공될 경우, 연료극 유로(32)와 동일한 패턴으로 형성될 수 있다. 즉, 하나 이상의 단차부(41)는 연료극 인터커넥트(40)에 형성된 유로부(42a)만큼 이격되어 형성될 수 있다. In another embodiment of the present invention, the unit module may be provided with a step portion 41 on the anode interconnect 40. The step portion 41 may be provided to be spaced apart from both end surfaces of the flow path forming portion 42b formed in the anode interconnect 40, and the height of the step portion 41 is not limited, but the height of the flow path forming portion 42b is the same. Or higher is preferred. In addition, the step portion 41 may be provided in the form of a bar or a predetermined pattern with the passage forming portion 42b. Referring to FIG. 5A, when the step portion 41 is provided in a bar shape, one step portion 41 may be provided in a shape having a length along both short side cross sections of the flow path forming portion. In addition, referring to FIG. 5B, when the step portion 41 formed on one surface of the anode interconnect 40 is provided in a predetermined pattern, it may be formed in the same pattern as the anode flow path 32. That is, at least one stepped portion 41 may be formed to be spaced apart by the flow path portion 42a formed in the anode interconnect 40.

다른 실시 예에 따른 단위 모듈은 연료극 인터커넥트(40) 일면에 단차부(41)를 제공함으로써, 윈도우 프레임(20)과 연료극 인터커넥트(40) 사이 스페이서 구성이 생략가능하고, 윈도우 프레임(20) 및 단위셀로부터 받는 하중이 단차부(41)와 연료극 유로(42)를 통해 전달되어 윈도우 프레임(20)의 변형을 방지하고, 하중이 연료전지의 전면으로 균일하게 분배될 수 있는 효과가 발생할 수 있다. The unit module according to another embodiment provides a step portion 41 on one surface of the anode interconnect 40, so that a spacer configuration between the window frame 20 and the anode interconnect 40 can be omitted, and the window frame 20 and the unit The load received from the cell is transmitted through the step portion 41 and the anode flow path 42 to prevent deformation of the window frame 20, and an effect of uniformly distributing the load to the front surface of the fuel cell may occur.

여기서, 단위 모듈은 윈도우 프레임(20)과 공기극 인터커넥트(30) 사이 스페이서를 더 포함할 수 있고, 윈도우 프레임(20)과 단위셀, 윈도우 프레임(20)과 공기극 인터커넥트(30), 공기극 인터커넥트(30)와 연료극 인터커넥트(40) 사이 실링재(60)를 더 포함할 수 있다. 스페이서 및 실링재(60)는 상술한 일 실시 예에 따른 단위 모듈 설명과 동일하여 생략하기로 한다. Here, the unit module may further include a spacer between the window frame 20 and the cathode interconnect 30, the window frame 20 and the unit cell, the window frame 20 and the cathode interconnect 30, and the cathode interconnect 30 ) And the anode interconnect 40 may further include a sealing material 60. The spacer and the sealing material 60 are the same as the description of the unit module according to the above-described exemplary embodiment and will be omitted.

본 발명의 또 다른 실시 예에 있어서, 단위 모듈은 공기극 및 연료극 인터커넥트(30, 40) 일면에 단차부(31, 41)가 제공될 수 있다. 그리고, 단위 모듈은 각 구성의 사이에 실링재(60)가 제공될 수 있다. In another embodiment of the present invention, the unit module may be provided with stepped portions 31 and 41 on one surface of the cathode and anode interconnects 30 and 40. In addition, the unit module may be provided with a sealing material 60 between each component.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 단차부(31, 41) 및 실링재(60)는 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 단위모둘과 동일하여 생략하기로 한다. The step portions 31 and 41 and the sealing material 60 according to another embodiment of the present invention are the same as the unit modules according to one embodiment and another embodiment of the present invention described above, and thus will be omitted.

<연료전지용 스택><Fuel cell stack>

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 스택을 도시한 단면도이다. 3 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.

연료전지용 스택은 상술된 단위 모듈을 적층하여 제공할 수 있다. 이때, 하나 이상의 단위 모듈 사이 분리판(50)이 더 포함될 수 있다. 즉, 상측 단위셀의 연료극(13)과 하측 단위셀의 공기극(11) 사이 분리판(50)이 위치될 수 있고, 이때, 분리판(50)은 일면에 공기극 유로(32) 및 단차부(31), 타면에 연료극 유로(42) 및 단차부(41)가 형성될 수 있다. 일면 및 타면에 형성된 단차부(31, 41)는 바 형태 및 일정한 패턴 중 어느 하나로 제공될 수 있는데, 예를 들어, 일면에 형성된 단차부(31)가 바 형태로 제공되면, 타면에 형성된 단차부(41)는 연료극 유로(42)와 동일한 패턴으로 제공될 수 있다. The fuel cell stack may be provided by stacking the unit modules described above. In this case, a separation plate 50 between one or more unit modules may be further included. That is, the separation plate 50 may be positioned between the anode 13 of the upper unit cell and the cathode 11 of the lower unit cell, and at this time, the separation plate 50 has the cathode flow path 32 and the stepped portion ( 31), the anode flow path 42 and the step portion 41 may be formed on the other surface. The stepped portions 31 and 41 formed on one side and the other side may be provided in either a bar shape or a certain pattern. For example, if the stepped portion 31 formed on one side is provided in a bar shape, the stepped portion formed on the other side 41 may be provided in the same pattern as the anode flow path 42.

아울러, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 스택의 단위 모듈은 앞서 설명한 본 발명에 따른 단위 모듈과 동일하기 때문에 생략하기로 한다. In addition, the unit module of the fuel cell stack according to an embodiment of the present invention will be omitted because it is the same as the unit module according to the present invention described above.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. Although described above with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You can understand that you can.

11: 공기극
12: 전해질
13: 연료극
20: 윈도우 프레임
30: 공기극 인터커넥트
31: 공기극 단차부
32: 공기극 유로
32a: 유로부
32b: 유로 형성부
40: 연료극 인터커넥트
41: 연료극 단차부
42a: 유로부
42b: 유로 형성부
42: 연료극 유로
50: 분리판
60: 실링재 11: air pole
12: electrolyte
13: anode
20: window frame
30: air electrode interconnect
31: air electrode step
32: air electrode flow path
32a: Euro part
32b: flow path forming portion
40: anode interconnect
41: fuel electrode step
42a: Euro part
42b: flow path forming portion
42: anode flow path
50: separator
60: sealing material

Claims

단위셀;
상기 단위셀의 가장자리에 위치되고, 공기 및 연료를 분배하는 윈도우 프레임;
상기 단위셀 상부에 위치되고, 상기 공기를 상기 단위셀로 유동시키는 공기극 유로가 형성된 공기극 인터커넥트; 및
상기 단위셀 하부에 위치되고, 상기 연료를 상기 단위셀로 유동시키는 연료극 유로가 형성된 연료극 인터커넥트;를 포함하고,
상기 공기극 및 연료극 인터커넥트는,
상기 공기극 유로 및 상기 연료극 유로 가장자리와 이격되게 일정한 패턴으로 형성되는 단차부;를 더 포함하고,
상기 공기극 인터커넥트에 형성된 상기 단차부는 상기 공기극 유로보다 높이가 낮고, 상기 연료극 인터커넥트에 형성된 상기 단차부는 상기 연료극 유로보다 높이가 높은 것을 특징으로 하는,
연료전지용 단위 모듈.
Unit cell;
A window frame positioned at an edge of the unit cell and distributing air and fuel;
A cathode interconnect located above the unit cell and having a cathode flow path for flowing the air into the unit cell; And
Includes; an anode interconnect located under the unit cell and having an anode flow path for flowing the fuel into the unit cell,
The cathode and anode interconnects,
The cathode flow path and the step portion formed in a predetermined pattern to be spaced apart from the edge of the anode flow path; further comprising,
The stepped portion formed in the cathode interconnect has a height lower than that of the cathode flow path, and the stepped portion formed in the anode interconnect has a height higher than that of the anode flow path,
Unit module for fuel cells.

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제1항에 있어서,
상기 윈도우 프레임은,
상기 단위셀이 안착되는 안착홈이 형성되고, 상기 안착홈의 양쪽 가장자리에 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 단위 모듈.
The method of claim 1,
The window frame,
A unit module for a fuel cell, characterized in that a seating groove in which the unit cell is seated is formed, and flow paths are formed at both edges of the seating groove.

제1항 및 제6항 중 어느 한 항의 연료전지용 단위 모듈이 하나 이상 적층되는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 스택.
A stack for a fuel cell, characterized in that one or more unit modules for a fuel cell according to any one of claims 1 and 6 are stacked.

제7항에 있어서,
상기 연료전지용 스택은,
하나 이상의 상기 단위 모듈 사이 분리판;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 스택.
The method of claim 7,
The fuel cell stack,
A stack for a fuel cell further comprising; a separation plate between one or more unit modules.

제8항에 있어서,
상기 분리판은,
양 면에 각각 유로 및 단차부가 제공되는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 스택.
The method of claim 8,
The separating plate,
A stack for a fuel cell, characterized in that a flow path and a step portion are provided on both sides, respectively.

제9항에 있어서,
상기 분리판은,
상측 면에 연료극 유로 및 하측 면에 공기극 유로가 제공되는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 스택.
The method of claim 9,
The separating plate,
A fuel cell stack, characterized in that the anode flow path is provided on the upper side and the cathode flow path is provided on the lower side.