KR102658974B1 - 연료전지 구조체 - Google Patents
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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
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.
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)
- 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 지지하고, 상기 연료전지 스택에 연료를 공급하는 연료공급홀 및 상기 연료전지 스택으로부터 연료를 배출하는 연료배출홀이 형성된 지지 플레이트를 포함하는 지지체;
상기 제2 가압 플레이트부와 상기 지지 플레이트 사이에 배치되고, 상기 연료 공급홀과 상기 제2 가압 플레이트부에 형성된 상기 연료전지 스택의 연료 유로의 입구 사이 및 상기 연료 배출홀과 상기 연료 유로의 출구 사이를 밀봉하는 밀봉 부재; 및
상기 제1 체결 영역부, 상기 제2 체결 영역부 및 상기 지지 플레이트를 관통하여 상기 연료전지 스택과 상기 지지체를 체결하는 체결기구를 포함하는, 연료전지 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 지지 플레이트의 연료공급홀은 상기 연료전지 스택에 연료를 공급하는 연료 공급관과 상기 제2 가압 플레이트부에 형성된 상기 연료 유로의 입구를 연결하고,
상기 지지 플레이트의 연료배출홀은 상기 연료전지 스택으로부터 연료를 배출하는 연료 배출관과 상기 제2 가압 플레이트부에 형성된 상기 연료 유로의 출구를 연결하는, 연료전지 구조체. - 제2항에 있어서,
상기 밀봉 부재는 압축 밀봉재 및 고온용 밀봉재를 포함하고,
상기 압축 밀봉재는 상기 지지 플레이트의 상부면과 상기 하부 엔드 플레이트이 하부면 사이에서 상기 연료 공급홀 및 상기 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. - 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. - 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. - 제4항에 있어서,
상기 압축 밀봉재는 상기 연료 공급홀 및 상기 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. - 제1항에 있어서,
상기 지지 플레이트의 상부면에는 상기 하부 엔드 플레이트의 적어도 일부가 삽입되는 제1 유동방지홈이 형성된 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체. - 제2항에 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. - 제8항에 있어서,
상기 밀봉 부재는 상기 제2 영역과 상기 제2 유동방지홈의 바닥면 사이에 배치된 것을 특징으로 하는, 연료전지 구조체.
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