[go: up one dir, main page]

KR101407937B1 - 균일한 유동분배 구조를 갖는 금속재 실링 고체산화물 연료전지 스택 - Google Patents

균일한 유동분배 구조를 갖는 금속재 실링 고체산화물 연료전지 스택 Download PDF

Info

Publication number
KR101407937B1
KR101407937B1 KR1020120109076A KR20120109076A KR101407937B1 KR 101407937 B1 KR101407937 B1 KR 101407937B1 KR 1020120109076 A KR1020120109076 A KR 1020120109076A KR 20120109076 A KR20120109076 A KR 20120109076A KR 101407937 B1 KR101407937 B1 KR 101407937B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
cell stack
fuel cell
air
heat exchanger
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
KR1020120109076A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140042374A (ko
Inventor
동상근
정우남
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020120109076A priority Critical patent/KR101407937B1/ko
Priority to US13/854,067 priority patent/US9054352B2/en
Publication of KR20140042374A publication Critical patent/KR20140042374A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101407937B1 publication Critical patent/KR101407937B1/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/028—Sealing means characterised by their material
    • H01M8/0282—Inorganic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • H01M8/2485—Arrangements for sealing external manifolds; Arrangements for mounting external manifolds around a stack
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 평판형 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것으로서, 특히 연료전지 스택 내부로 유입되는 연료 및 공기를 내부의 열교환기를 통해 일정 온도로 예열한 상태에서 각 셀 유닛의 전극 반응면 전체에 고르고 균일하게 분배되도록 함으로써 연료전지의 사용효율을 높일 수 있고, 고온 및 고압 환경조건 하에서도 연료전지 스택의 실링을 효과적이며 안정적으로 유지하도록 하여 내구성을 향상시킬 수 있고, 연료전지의 높은 안전성을 구현할 수 있는 균일한 유동분배 구조를 갖는 금속재 실링 고체산화물 연료전지 스택 구조를 제공한다.

Description

균일한 유동분배 구조를 갖는 금속재 실링 고체산화물 연료전지 스택{Metal sealed solid oxide fuel cell stack having uniform flow distribution structure}
본 발명은 평판형 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고체산화물 연료전지 스택 내부로 유입되는 연료 및 공기를 내부에 구비된 열교환기를 통해 일정 온도로 예열한 상태에서 각 셀 유닛의 양극 및 음극 반응면 전체에 고르고 균일하게 분배되도록 함으로써 연료전지의 사용효율을 향상시킬 수 있고, 고온 및 고압 환경조건 하에서도 연료전지 스택의 실링을 효과적으로 유지할 수 있도록 하여 연료전지의 안전성을 확보할 수 있고 내구성을 증대시킬 수 있는 균일한 유동분배 구조를 갖는 금속재 실링 고체산화물 연료전지 스택 구조에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(Fuel cell)는 연료(수소)를 공기 중의 산소와 화학반응시켜 전기를 생성하는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 고효율 발전장치이다. 이러한 연료전지는 "연료의 연소→증기 발생→터빈 구동→발전기 구동"과 같은 일련의 발전과정이 요구되는 기존의 발전장치와는 달리 연료의 연소과정이나 발전을 위한 구동장치가 필요 없기 때문에 효율이 높고, 대기오염, 진동, 소음 등의 환경문제를 유발시키지 않는 장점이 있다.
이와 같은 연료전지 중 제3세대 연료전지라고도 불리는 고체산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Feul Cell)는 중앙의 전해질막을 사이에 두고 한 쪽에는 양극(연료극)이 다른 쪽에는 음극(공기극)이 부착되고, 상기 양극 및 음극에 전기화학반응이 용이하게 일어날 수 있도록 다공성 구조의 집전체가 부착된 구조로 이루어져 있다. 그리고, 상기 양극과 음극에 연료 및 공기를 각각 공급할 수 있도록 연료 및 공기의 통로가 형성된 분리판이 구비되고, 상기 양극 및 음극 간 또는 단위 셀(cell) 간에 연료 및 공기가 서로 통기하지 않도록 연료 및 공기가스의 흐름을 차단하며 각 구성층 사이를 접합하는 실링부재가 구비되어 있다.(한국 특허공개 제2012-0078393호 참조)
이러한 구성으로 이루어진 고체산화물 연료전지는 음극에 산소를 포함하는 공기가 공급되고 양극에 수소 등과 같은 연료가스가 공급되면, 음극과 양극 사이에 있는 전해질막을 통해 물 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기를 발생시키게 되고, 전기가 발생되는 동안 물과 열도 함께 생성되어 외부로 배출된다. 이때, 연료전지의 단위 셀에서 발생되는 전기는 유용하게 사용될 만큼 그 전압이 높지 않기 때문에 통상적으로 여러 개의 셀을 적층하여 직렬로 연결한 스택(stack)의 형태로 사용하게 된다.
그러나, 상기와 같은 구성을 갖는 종래의 고체산화물 연료전지 스택 구조는 연료전지 스택의 구동시 연료 통로나 공기 통로의 출구측 보다 입구측에 가까운 단위 셀 부분에서 연료나 공기의 반응이 더 활발하게 이루어지기 때문에, 전체 스택에 대해 셀의 입구측과 출구측에서 온도 편차가 발생하는 문제가 있다. 아울러, 기존 연료전지 스택의 경우 연료전지의 구동효율을 높이기 위해 셀의 작동온도까지 연료 및 공기를 예열해줄 수 있도록 열교환기를 설치하게 되는데, 이러한 열교환기는 연료전지 스택의 외부에 별도의 구조물로 설치된 구조로 되어 있었다. 이 때문에 연료전지 스택의 구동을 위한 전체 시스템 장치구성이 복잡해지고 설치비용이 많이 드는 문제점이 있었다. 또한, 연료전지 스택의 구동시 열교환기를 통해 예열된 연료 및 공기가 수직으로 적층된 각 셀의 반응면으로 균일하게 공급되지 못하여 국부적인 반응가스 부족 현상이 유발되고, 이로 인해 적층된 각 셀의 반응 활동도가 떨어져 결국에는 연료전지의 효율 및 성능을 현저하게 저하시키게 되는 문제점이 있었다. 아울러, 종래의 연료전지 스택 구조는 단위 셀의 양쪽에 배치된 분리판의 각 채널을 통해 흐르는 연료 및 공기가 서로 섞이지 않도록 주로 통상 유리(glass) 재질로 이루어진 실링부재를 이용하여 기밀을 유지하도록 하고 단위 셀과 접촉하지 않는 분리판의 나머지 부분에 기밀성 및 절연성을 갖는 절연판을 삽입하여 연료전지 스택의 실링을 유지하도록 되어 있었는바, 이러한 유리재질의 실링부재를 사용한 종래의 연료전지 스택 구조는 고온 고압 하에서 운전될 경우 유리의 점성 유동을 유발시키기 때문에 셀과 스택의 접촉면 간의 수평방향으로의 압력변화가 발생하게 되고, 이러한 압력변화로 인해 셀의 파괴를 초래할 수 있는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 연료전지 스택 내부에 열교환기를 설치하여 연료전지 스택 내부로 유입되는 연료 및 공기를 내부의 열교환기를 통해 일정 온도로 예열한 상태에서 수직으로 적층된 각 단위 셀의 양극 및 음극 반응면에 전체적으로 균일하고 고르게 분배되도록 구성함으로써 각 단위 셀로 공급되는 반응가스의 불균일 공급으로 인한 연료전지의 성능저하 현상을 방지할 수 있는 고체산화물 연료전지 스택 구조를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 연료전지 스택의 기밀성 확보를 위한 실링부재로서 기존과 같은 유리재질의 실링부재 대신 금속재질로 이루어진 실링부재를 채용하여 구성함으로써, 고온 및 고압 조건 하에서 연료전지 스택의 구동시에도 연료전지 스택의 실링 효과를 향상시킬 수 있고, 열사이클의 안전성을 확보하여 연료전지의 내구성을 증대시킬 수 있는 금속재 실링 고체산화물 연료전지 스택 구조를 제공함에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고체산화물 연료전지 스택은, 일측에 공기 유입구 및 공기 배출구가 형성된 바텀플레이트; 상기 바텀플레이트로부터 이격된 상부측에 배치되며, 일측에 연료 유입구 및 연료 배출구가 형성된 어퍼플레이트; 상기 바텀플레이트와 어퍼플레이트 사이에 조립되며, 양극과 음극 사이에 전해질이 개재된 형태를 갖는 단위 셀 유닛이 복수 개 적층되어 이루어진 셀 스택(cell stack); 상기 공기 유입구를 통해 유입된 공기를 예열시켜 상기 셀 스택에 구비된 각 셀 유닛으로 고르게 분배해 주는 음극측 열교환기; 상기 연료 유입구를 통해 유입된 연료를 예열시켜 상기 셀 스택에 구비된 각 셀 유닛으로 고르게 분배해 주는 양극측 열교환기; 상기 바텀플레이트와 어퍼플레이트, 셀 유닛, 음극측 열교환기 및 양극측 열교환기들 사이를 밀폐하는 동시에 전기적으로 절연시켜 주는 실링부재;를 포함하며, 상기 셀 스택과 열교환기 및 실링부재를 수직방향으로 관통하도록 형성된 연료 및 공기의 유동 통로에 있어, 상기 연료 및 공기가 유입되는 유입통로는 그 입구로부터 내부로 들어갈수록 면적이 점차 줄어들고, 연료 및 공기가 배출되는 각 배출통로는 그 출구 쪽으로 갈수록 면적이 점차 확장되도록 형성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 셀 스택은 적어도 2개 이상이 구비될 수 있다.
그리고 상기 실링부재는 홀더(holder), 절연판 및 스페이서(spacer)를 포함하여 구성될 수 있으며, 이들 중 홀더 및 스페이서를 금속재질로 채용하여 구성할 수 있다.
이때, 상기 절연판으로는 운모(Mica)가 채용될 수 있다.
또한, 본 발명에 있어, 상기 셀 유닛의 적층시 발생되는 공차는 스페이서의 두께 및 설치 개수의 조정을 통해 보상될 수 있다.
그리고, 상기 셀 유닛의 양극 쪽에 구비되는 집전판으로는 니켈 메시(nickel mesh)를, 음극 쪽에 구비되는 집전판으로는 크로퍼 메시(crofer mesh)를 적용하여 구성할 수도 있다.
이때, 상기 집전판은 니켈-코발트 코팅을 하여 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 상술한 구성을 갖는 본 발명의 고체산화물 연료전지 스택 구조를 적용하여 연료전지 시스템과, 이 연료전지 시스템을 응용한 연료전지 차량을 구현할 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 고체산화물 연료전지 스택 내부에 열교환기를 설치하여 연료전지 스택 내부로 유입되는 연료 및 공기를 내부에 구비된 열교환기를 통해 일정 온도로 예열된 상태로 각 셀의 전극 반응면에 균일하고 고르게 분배되도록 함으로써 셀의 반응 활동도를 높여 연료전지의 성능 및 효율을 향상시킬 수 있다. 아울러 연료전지 스택에서 연료 및 공기가 유동될 수 있도록 셀 스택과 열교환기 및 실링부재를 수직으로 관통하여 형성된 연료 및 공기의 유동통로 중에서 연료 및 공기가 유입되는 부분의 유입통로를 그 입구로부터 내부로 들어갈수록 면적이 점차 줄어들게 형성하고 연료 및 공기가 배출되는 부분의 배출통로를 그 출구 쪽으로 갈수록 면적이 점차 확장되도록 형성함으로써, 연료 및 공기를 각 단위 셀로 균일하게 분배하여 공급되도록 할 수 있기 때문에 반응가스의 불균일 공급으로 인한 연료전지의 손실을 방지할 수 있다. 또한, 연료전지 스택의 기밀성 확보를 위한 실링수단으로서 기존의 유리재질로 구성된 실링부재 대신 금속재질의 실링부재를 적용하여, 고온 및 고압 조건에서 연료전지 스택을 운전할 경우에도 연료전지 스택의 실링 효과를 높일 수 있고, 열사이클(thermal cycle)의 안전성을 확보하여 연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 5개의 셀 유닛 적층구조를 갖는 고체산화물 연료전지 스택을 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 분리 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스택의 실링 구조를 보여주는 부분 단면도.
도 4는 본 발명의 연료전지 스택 내부에 설치되는 열교환기 구조를 보여주는 상세도.
도 5는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스택에서 연료 및 공기의 유동 흐름을 보여주는 개념도.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예를 도시한 것으로서, 30개의 셀 유닛 적층구조를 갖는 고체산화물 연료전지 스택 구조를 도시한 개념도.
도 7은 도 6의 고체산화물 연료전지 스택이 결합된 상태를 나타낸 것으로서, 고체산화물 연료전지 스택의 양극 및 음극 쪽에서의 유체의 유동통로 구조를 보여주는 개념도.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스택에서 분리판과 집전판의 니켈-코발트(Ni-Co) 코팅 유무에 따른 접촉저항을 비교한 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 5개의 셀 유닛 적층구조를 갖는 고체산화물 연료전지 스택을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 분리 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스택(300)은 외곽을 형성하는 바텀플레이트(110)와 어퍼플레이트(120), 복수의 셀 유닛(220)으로 구성된 셀 스택(cell stack)(200), 열교환기(230)(240) 및 금속재질로 이루어진 실링부재를 포함하여 구성된다.
상기 바텀플레이트(110)의 일측에는 외부로부터 산소가 포함된 공기가 유입되는 공기 유입구(112)와, 셀 유닛(220)에서 연료와 반응된 공기가 배출되는 공기 배출구(114)가 형성된다.
상기 어퍼플레이트(120)는 바텀플레이트(110)로부터 일정거리 이격된 상부 측에 배치되는데, 상기 어퍼플레이트(120)의 일측에는 연료(수소)가 유입되는 연료 유입구(122)와 상기 셀 유닛(220)에서 공기와 반응된 연료가 배출되는 연료 배출구(124)가 형성된다.
상기 셀 스택(cell stack)(200)은 단위 셀 유닛(cell unit)(220)이 복수 개(실시 예에서는 5개) 적층되어 이루어진 것으로서, 상기 셀 스택(200)은 바텀플레이트(110)와 어퍼플레이트(120) 사이에 개재되어 이들과 함께 조립된다.
여기서, 상기 셀 스택(200)을 구성하는 단위 셀 유닛(220)은 양극(anode)(202)과 음극(cathod)(204) 사이에 전해질(미도시)이 개재된 구조의 셀(210)을 포함하며, 상기 양극(202) 및 음극(204) 측에는 연료 및 공기가 각 전극(202)(204)면과 반응이 원활하게 이루어지게 할 수 있도록 하는 집전판(211)(212)이 구비된다.
상기 단위 셀 유닛(220)의 구성을 도 2를 참조하여 구체적으로 살펴보면, 단위 셀 유닛(220)은 중앙에 있는 셀(210)을 기준으로 그 상부 및 하부에 각각 분리판(213)(214)이 배치되고, 상기 2개의 분리판(213)(214) 사이에는 셀(210)의 외곽을 감싸도록 홀더(221)와 복수의 절연판(225)(226) 및 스페이서(222)(223)(224)가 개재된다. 그리고 상기 셀(210)과 양측 분리판(213)(214) 사이에는 각각 집전판(211)(212)이 설치된 구조를 갖는다. 그리고, 상기 각각의 분리판(213)(214)에는 연료 및 공기가 유동될 수 있는 통로인 복수의 채널(213a)(214a)이 형성된다.
이와 같은 구성을 갖는 단위 셀 유닛(220)이 복수 개 적층되어 하나의 셀 스택(200)을 구성하게 되며, 상기 셀 스택(200)의 상부(양극 측) 및 하부(음극 측)에는 각각 열교환기(230)(240)가 구비된다. 여기서, 상기 셀 스택(200)의 상부 측(양극 측)에 배치되는 열교환기(230)는 어퍼플레이트(120)의 연료 유입구(122)를 통해 유입된 연료를 셀의 반응에 적합한 온도로 예열시키는 한편 예열된 연료를 상기 셀 스택(200) 내에 구비된 각각의 셀 유닛(220)으로 고르고 균일하게 공급하도록 한다. 아울러, 상기 셀 스택(200)의 하부 측(음극 측)에 배치되는 열교환기(240)는 바텀플레이트(110)의 공기 유입구(112)를 통해 유입된 공기를 셀의 반응에 적합한 온도로 예열시킨 후 각 단위 셀 유닛(220)으로 균일하고 고르게 공급되도록 한다.
상기 실링부재는 연료전지 스택(300)의 상,하부 분리판(213)(214)과 셀(210) 사이에 연료 및 공기의 혼합을 방지하는 동시에 전기적인 절연상태를 유지하도록 한다. 본 발명에서는 이와 같은 연료전지 스택(300)의 기밀성 유지를 위한 실링부재로서 기존에 사용되던 유리(glass) 재질의 실링부재 대신에 고온의 열에 강하고 내수성이 우수한 금속 재질의 실링부재를 채용하고 있다.
구체적으로, 상기한 실링부재는 홀더(holder)(221)와, 복수의 절연판(225)(226)과, 복수의 스페이서(spacer)(222)(223)(224)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 절연판(225)(226)으로는 운모(Mica)가 채용되는데, 천연 운모를 잘게 부수어 얇은 시트(sheet) 상태의 운모를 만든 후 이것을 접착제로 쌓아 붙여서 일정 두께의 절연판(225)(226)을 제작하게 된다. 이와 같은 절연판(225)(226)의 재질로 적용되는 운모는 고온 가열에 의해 부풀어 나지 않고 가열 후의 강도 저하도 매우 작은 우수한 특성을 가지며, 또한, 내수성도 뛰어나기 때문에 고습도 환경 하에서도 매우 높은 전기 절연성을 가질 수 있다. 그리고, 상기 홀더(221)와 스페이서(222)(223)(224)는 모두 내열성 및 강도가 우수한 금속재질로 구성하게 된다.
이와 같이 연료전지 스택(300)의 기밀 유지를 위한 실링부재의 구성품들을 모두 비유리(non-glass) 재질로 적용함으로써, 고온 및 고압 환경조건 하에서 연료전지 스택(300)이 구동될 경우에도 연료전지 스택(300)의 안정적인 실링 기능이 유지되도록 할 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 고체산화물 연료전지 스택(300)에서 하나의 단위 셀 유닛(220)에 대한 단면 구조를 보여주는 부분 단면도로서, 도면에 도시된 바와 같이, 양극(202)과 음극(204) 사이에 전해질(미도시)이 접합된 구성을 갖는 셀(210)의 상, 하부 측에 각각 분리판(213)(214)이 배치되고, 상기 분리판(213)(214)과 양극(202) 및 음극(204) 사이에는 각각 집전판(211)(212)이 배치된다. 그리고 분리판(213)(214)과 셀(210) 사이의 연료 및 공기의 혼합을 방지하는 동시에 전기적인 절연상태를 유지하도록 하는 실링부재로서, 홀더(221)와 절연판(225)(226) 및 스페이서(222)(223)(224)는 상,하부 측 분리판(213)(214) 사이에 개재되어 셀(210)의 외곽을 감싸도록 적층된 구조로 설치된다. 이때, 상기 홀더(221) 및 스페이서(222)(223)(224)는 금속 재질로 구성하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 셀 유닛(220)의 상부 측(양극 측)에 배치되는 집전판(211)으로 니켈 메쉬(nickel mesh)를 적용하고, 하부 측(음극 측)에 배치되는 집전판(212)으로 크로퍼 메쉬(crofer mesh)를 적용함으로써, 셀(210)과 상,하부 양쪽 분리판(213)(214) 사이를 흐르는 각각의 반응가스(연료 또는 공기)와 전극(202)(204) 간의 접촉도를 높여 도전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 절연판(225)(226) 및 스페이서(222)(223)(224)는 서로 다른 두께를 갖는 복수의 판 형태로 구비될 수 있는데, 상기 절연판(225)(226) 및 스페이서(222)(223)(224)의 두께나 설치 개수를 조절함으로써 셀 유닛(220)의 적층시 발생하게 되는 공차의 보상이 가능하다. 즉, 연료전지 스택(300)의 조립시 여러 장의 셀 유닛(220)을 적층할 경우 생기는 공차를 특정 두께(실시 예에서는 0.05mm, 0.1mm 두께가 적용됨)를 갖는 스페이서를 여러 개 적층함으로써 흡수할 수 있기 때문에, 연료전지의 스태킹(stacking)시 발생하는 공차 문제를 극복할 수 있고 콤팩트한 구조를 갖는 연료전지 스택(300)을 구현할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 연료전지 스택(300) 내부에 설치되는 열교환기 구조를 도시한 상세도이다. 여기서, 도 4는 설명의 편의상 셀 스택(200)의 하부 측에 배치되는 열교환기(240) 구조만을 예를 들어 나타낸 것이며, 셀 스택(200)의 상부 측 열교환기(230) 구조 또한 이와 동일한 구조로 이루어지기 때문에 이에 대한 별도 설명은 하지 않기로 한다.
도 4에서 보는 바와 같이, 열교환기(240)는 전체 형상이 분리판(213)(214)과 같은 사각형 판 형상으로 이루어진 판형 열교환기로서, 통상적인 분리판(213)(214)의 내부 구조와 마찬가지로 그 내측부에 반응가스(여기서는 공기)의 유동 흐름을 안내하기 위한 다수의 일자형 채널(241)이 일정한 간격을 이루며 형성되어 있다. 그리고, 상기 채널(241)의 일측 끝단에는 바텀플레이트(110)의 공기 유입구(112)와 연통되는 직사각형 형상의 관통공(242)이 형성되고, 상기 관통공(242)의 반대편에 위치한 상기 채널(241)의 다른 편 끝단에는 동일한 형상의 또 다른 관통공(244)(245)이 형성되어 있다. 이에 따라, 상기 열교환기(240)에 형성된 채널(241)의 한쪽 편 끝단에 위치한 관통공(242)을 통해 유입된 공기는 상기 복수의 채널(241)을 따라 분산되어 이동한 후 채널(241)의 다른 편 끝단에 위치한 관통공(244)(245)을 통해 빠져나가도록 되어 있다. 이와 같은 구조로 이루어진 열교환기(240)는 공기가 내부에 형성된 복수의 채널(241)을 통과하는 과정에서 셀(cell)의 반응에 적합한 온도로 예열되는 한편 공기의 유동을 고르게 분산시켜 각 셀(cell)의 전극 반응면에 균일하고 고르게 공급되도록 한다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 연료전지 스택(300)의 조립 과정을 다음의 순서에 따라 진행된다.
즉, 바텀플레이트(110) → 절연판(252) → 음극측 열교환기(240) → 음극측 분리판(214) → 스페이서(223)(224) → 집전판(212)(니켈-코발트 코팅) → 절연판(225)(226) → 셀(Cell)(210) → 스페이서(222) → 홀더(221) → 집전판(211)(니켈-코발트 코팅)→ 양극측 분리판(213) → ‥‥ 앞에 열거된 단위 셀 유닛(220)의 구성품 반복(Repeating the cell components) ‥‥ → 양극측 열교환기(230) → 절연판(232) → 어퍼플레이트(120)의 순서로 적층하여 조립하게 된다.
한편, 도 5는 5개의 셀 유닛(220) 적층구조를 갖는 본 발명의 연료전지 스택(300)에 있어서 연료 및 공기의 유동 흐름을 개략적으로 보여주는 유동 흐름도이다.
여기서, 도 5에는 연료전지 스택(300)의 주요 구성부 중에서 실링부재를 제외한 바텀플레이트(110), 어퍼플레이트(120), 열교환기(230)(240), 셀 스택(200)의 구성부만을 도시하여 나타내었다. 그리고 열교환기(230)(240)의 세부구조는 도 4의 형태와 동일하다.
도면을 참조하여 먼저 양극 측 연료가스의 흐름을 살펴보면, 어퍼플레이트(120)에 형성된 연료 유입구(122)로 유입된 연료(수소)는 그 하부에 위치한 열교환기(230)의 우측 한편에 형성된 관통공(233)을 통해 유입된 후 상기 열교환기(230) 내부에 형성된 복수의 채널(미도시)을 통과하는 과정에서 열교환기(230) 내부 전면적에 걸쳐 고르게 분산되는 한편 일정온도로 예열된 후 맞은편(좌측)에 위치한 2개의 관통공(235)(236)을 통과하여 하부측에 위치한 각 단위 셀 유닛(220)으로 공급된다. 그리고, 각 단위 셀 유닛(220)으로 공급된 연료는 셀 유닛(220) 내부에서 음극 측의 공기와 화학적으로 반응한 후, 그 맞은편(우측)에 위치한 관통공(264)을 통해 다시 상부 측 열교환기(230)의 우측 관통공(234)을 통해 빠져나와서 어퍼플레이트(120)의 연료 배출구(124)를 통해 외부로 배출된다.
한편, 음극 측의 공기의 흐름을 살펴보면, 바텀플레이트(110)에 형성된 공기 유입구(112)로 유입된 공기는 그 상부에 위치한 열교환기(240)의 전방 측 한쪽 관통공(242)을 통해 유입된 후 상기 열교환기(240) 내부에 형성된 복수의 채널(미도시)을 통과하는 과정에서 열교환기(240) 내부 전면적에 걸쳐 고르게 분산되는 한편 일정온도로 예열된 후 그의 맞은편(후방측)에 위치한 2개의 관통공(244)(245)을 통과하여 상부 측에 위치한 각 단위 셀 유닛(220)으로 공급된다. 그리고 상기 각 단위 셀 유닛(220)으로 공급된 공기는 셀 유닛(220) 내부에서 양극 측의 연료와 화학적으로 반응한 후, 그의 맞은편(전방측)에 위치한 일측 관통공(268)을 통해 다시 하부 측 열교환기(240)의 전방측 관통공(243)을 통해 빠져나와서 바텀플레이트(110)의 공기 배출구(114)를 통해 외부로 배출된다.
이와 같이 연료전지 스택(300)에 있어, 복수 개 셀 유닛(220) 적층구조를 갖는 셀 스택(200)의 상부 및 하부 측에 복수의 채널이 형성된 열교환기(230)(240)를 설치함으로써, 연료전지 스택(300) 내부로 유입되는 연료 및 공기를 각각의 열교환기(230)(240)에 형성된 채널에 통과시켜 고르게 분산시키는 동시에 셀의 반응에 적합한 온도까지 충분히 예열시킨 상태에서 각 셀의 전극 반응면에 균일하고 고르게 공급되도록 함으로써, 셀의 반응 활동도를 높이고 연료전지의 성능 및 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 연료전지 스택(300)의 기밀성 유지를 위해 구비되는 실링부재를 기존과 같은 유리(glass) 재질이 아닌 금속 재질로 채용함으로써, 고온 및 고압 환경 하에서 내열성이 우수하고, 고습도 환경에서 내수성이 우수하며, 높은 전기 절연성을 갖는 연료전지 스택을 제공할 수 있고, 유지 보수 작업이 용이한 연료전지 스택을 제공할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시 예로서, 전술된 도 2에서 설명된 5개의 셀 유닛을 갖는 고체산화물 연료전지 스택 구조를 응용한 총 30개의 셀 유닛 적층구조를 갖는 고체산화물 연료전지 스택을 구성한 모습을 보여준다. 그리고, 도 7은 도 6에 도시된 고체산화물 연료전지 스택의 결합된 모습을 보여주는 것으로서, 연료전지 스택의 양극 및 음극 측에서의 연료 및 공기의 수직 유동 흐름을 보여주는 것이다. 이때, 도 6은 전술된 도 5의 경우와 마찬가지로 실링부재를 제외한 연료전지 스택의 주요부 구성만을 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제2실시 예에 따른 고체산화물 연료전지 스택(400)은 전술된 제1실시 예에서 설명된 5개의 셀 유닛(220)을 갖는 셀 스택(200)이 열교환기(250)를 사이에 두고 복수 개(총 6개)로 적층된 구조로 이루어져 있다. 이때, 상기 고체산화물 연료전지 스택(400)에 있어서, 양극 측 방면에서의 연료의 유동 경로와 음극 측 방면에서의 공기의 유동 경로는 전술된 도 5에서 설명된 연료 및 공기의 유동 흐름과 동일하기 때문에 이에 대한 별도의 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
그리고, 상기 연료전지 스택(400)에 있어, 연료전지 스택(400)의 수직방향(상하방향)으로 연료 및 공기의 유동이 가능하도록 셀 스택(200)과 열교환기(250) 및 실링부재(미도시)의 외곽부에 각각 형성된 관통공(250a~250g,268a~268f)의 형상은 수직방향으로 서로 다른 크기(면적)를 갖도록 형성된다. 즉, 적층 구조를 이루는 각각의 구성부(셀 스택, 열교환기, 실링부재) 외곽에 형성되는 관통공(250a~250g,268a~268f)이 서로 연통됨으로써 이루어지는 연료 및 공기의 수직방향 유동 통로는 점차 확장되거나 줄어드는 형태를 갖도록 형성된다.
이때, 연료 및 공기의 수직방향 유동통로 중에서 연료 및 공기가 유입되는 유입통로(272)(276)는 도 7의 (a)에서 보는 바와 같이 입구 측(상부 측)에서 내부 측(하부 측)으로 들어갈수록 면적이 점차 줄어드는 형태로 형성되고, 연료 및 공기가 배출되는 각 배출통로(274)(278)는 도 7의 (b)에서 보는 바와 같이 출구 쪽으로 갈수록 면적이 점차 확장되는 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
이처럼 연료가 유입되는 유입통로(272)를 입구(상부)에서 내부(하부)로 갈수록 점차 크기가 줄어드는 구조(도 7의 a)로 형성하게 되면, 연료가 최초 유입되는 상부에서 하부로 갈수록 유입통로(272) 내부를 따라 이동하는 유속이 점점 빨라져서 연료전지 스택(400)의 하단 부분에 위치한 셀 유닛까지 연료 가스가 원활하게 공급될 수 있다. 따라서 상하방향으로 적층된 각각의 셀 유닛(220)에 연료를 균등하고 고르게 분배하여 공급할 수 있기 때문에 각 셀 유닛별 연료 차등분배로 인한 반응손실을 줄여 연료전지의 성능향상을 가져올 수 있다. 아울러, 연료가 배출되는 배출통로(274)를 내부(하부)에서 출구(상부)로 갈수록 점차 크기가 확장되는 구조로 형성하게 되면, 연료 배출구(124)로부터 가장 멀리 떨어진 연료전지 스택(400)의 하단 부분(내부)에서 빠른 유속으로 연료의 배출이 이루어지기 때문에 상부의 연료 배출구(124)를 통해 연료가 원활하게 배출될 수 있게 된다. 마찬가지로, 도 7의 (b)에서 보는 것과 같이 공기가 유입되는 유입통로(276)를 최초 유입되는 입구(하부) 측에서 내부(상부) 측으로 갈수록 점차 크기가 줄어드는 구조로 형성하게 됨에 따라 공기가 유입통(276)의 하부에서 상부로 이동하는 유속이 점점 빨라지게 되어 연료전지 스택(400)의 상단 부분에 위치한 셀 유닛까지 공기가 원활하게 공급될 수 있고, 이에 따라 각 셀 유닛에 공기를 균등하고 고르게 분배함으로써 연료전지의 작동성능 향상을 가져올 수 있다.
한편, 도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 있어, 셀 유닛(220) 내부에 구비되는 분리판(213)(214)과, 니켈 메쉬 및 크로퍼 메쉬로 이루어진 집전판(211)(212)의 니켈-코발트(Ni-Co) 코팅 유무에 따른 접촉저항을 비교 도시한 그래프이다.
여기서, 도 8은 테스트 시료(집전판)의 코팅 유무에 따른 시간별 접촉저항(ASR) 값을 측정한 것으로서, 그래프의 상부측 선은 코팅을 하지 않은 시료이고, 하부측 선은 니켈-코발트 코팅을 한 시료의 접촉저항 값을 나타낸 것이다. 도 8의 그래프에서 볼 수 있듯이, 니켈-코발트 코팅을 한 쪽의 시료에서 접촉저항 값이 현저히 낮게 나타난 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 9는 니켈 코발트 코팅을 한 테스트 시료의 접촉저항(ASR)을 장시간 동안 측정한 결과를 나타낸 것으로, 도 9의 그래프에서 보는 바와 같이 1000 시간의 장시간을 거치는 동안에도 테스트 시료가 낮은 접촉저항을 지속적으로 안정되게 유지하는 것을 볼 수 있다. 이처럼 연료전지 스택의 분리판 및 집전판에 니켈-코발트 코팅을 수행하게 되면 연료전지 스택의 높은 수명을 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 연료전지 스택의 내부에 열교환기를 설치하여 연료전지 스택 내부로 유입되는 연료 및 공기를 내부에 구비된 열교환기를 통해 셀의 반응에 적합한 온도로 예열한 후 각 셀의 전극 반응면에 균일하고 고르게 분배되도록 함으로써 셀의 반응 활동도를 높여 연료전지의 성능 및 효율을 향상시킬 수 있다. 아울러 연료전지 스택에 수직한 방향으로 형성된 연료 및 공기의 유동 통로에 있어, 연료 및 공기가 유입되는 유입통로를 입구에서 내부 방향으로 들어갈수록 면적이 점차 줄어들도록 형성하고 연료 및 공기가 배출되는 배출통로를 그 출구 방향으로 갈수록 면적이 점차 확장되도록 형성함으로써, 상기한 수직 유동통로의 형상구조로 인해 연료 및 공기를 각 단위 셀로 균등하게 분배할 수 있어서 기존처럼 반응가스의 불균일 공급으로 인한 연료전지의 손실 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 기밀성 확보를 위한 실링수단으로서 기존의 유리재질로 구성된 실링부재 대신 고온의 열에 강하고 내수성이 우수한금속재질의 실링부재를 적용함으로써, 고온 및 고압 조건 하에서 연료전지 스택을 운전할 경우에도 셀의 손상 없이 연료전지 스택의 실링 효과를 높일 수 있고, 고습도 환경에서 높은 전기 절연성을 유지할 수 있으며, 열사이클의 안전성을 확보하여 연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 연료전지 스택의 조립시 여러 장의 셀 유닛을 적층할 경우에 생기는 공차를 금속재로 이루어진 특정 두께의 스페이서를 여러 개 적층하여 구성함에 따라 흡수할 수 있기 때문에, 연료전지의 스태킹(stacking)시 발생되는 공차 문제를 극복할 수 있고 콤팩트한 구조를 갖는 연료전지 스택을 구현할 수 있다.
또한, 연료전지 스택의 분리판과 집전판에 니켈-코발트(Nickel-Cobalt) 코팅을 수행함으로써, 연료전지 스택의 성능을 한층 향상시킬 수 있고, 열 발생을 감소시켜 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상술한 구성을 갖는 고체산화물 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택에 구비된 하나 이상의 셀 유닛에 연료 및 공기를 공급해줄 수 있는 연료공급수단과 공기공급수단을 설치하게 되면 보다 효율성이 높고 안정적으로 운전이 가능한 연료전지 시스템을 구현할 수 있다. 아울러, 이러한 연료전지 시스템을 연료전지 차량에 적용하게 되면 높은 전기발생 효율을 갖는 고효율의 연료전지 차량을 구현할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
110 : 바텀플레이트 112 : 공기 유입구
114 : 공기 배출구 120 : 어퍼플레이트
122 : 연료 유입구 124 : 연료 배출구
200 : 셀 스택(cell stack) 202,204 : 양극, 음극
210 : 셀(cell) 211, 212 : 집전판
213,214 : 분리판 220 : 셀 유닛
221 : 홀더(holder) 222,223,224 : 스페이서(spacer)
225,226 : 절연판 230,240,250 : 열교환기
213a,214a,241 : 채널 242,244,245 : 관통공
300,400 : 연료전지 스택

Claims (10)

  1. 일측에 공기 유입구 및 공기 배출구가 형성된 바텀플레이트;
    상기 바텀플레이트로부터 이격된 상부측에 배치되며, 일측에 연료 유입구 및 연료 배출구가 형성된 어퍼플레이트;
    상기 바텀플레이트와 어퍼플레이트 사이에 조립되며, 양극과 음극 사이에 전해질이 개재된 형태를 갖는 단위 셀 유닛이 복수 개 적층되어 이루어진 셀 스택(cell stack);
    상기 공기 유입구를 통해 유입된 공기를 예열시켜 상기 셀 스택에 구비된 각 셀 유닛으로 고르게 분배해 주는 음극측 열교환기;
    상기 연료 유입구를 통해 유입된 연료를 예열시켜 상기 셀 스택에 구비된 각 셀 유닛으로 고르게 분배해 주는 양극측 열교환기;
    상기 바텀플레이트와 어퍼플레이트, 셀 유닛, 음극측 열교환기 및 양극측 열교환기들 사이를 밀폐하는 동시에 전기적으로 절연시켜 주는 실링부재;를 포함하며,
    상기 셀 스택과 열교환기 및 실링부재를 수직방향으로 관통하도록 형성된 연료 및 공기의 유동 통로에 있어, 상기 연료 및 공기가 유입되는 유입통로는 그 입구로부터 내부로 들어갈수록 면적이 점차 줄어들고, 연료 및 공기가 배출되는 각 배출통로는 그 출구 쪽으로 갈수록 면적이 점차 확장되도록 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  2. 제1항에 있어서, 상기 셀 스택은 적어도 2개 이상이 구비되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  3. 제1항에 있어서, 상기 실링부재는 금속재로 이루어진 홀더 및 스페이서와, 절연판을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  4. 제3항에 있어서, 상기 절연판은 운모(Mica)로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  5. 제3항에 있어서, 상기 셀 유닛의 적층시 발생되는 공차는 스페이서의 두께 및 설치 개수의 조정을 통해 보상되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  6. 제1항에 있어서, 상기 셀 유닛의 양극 쪽에 구비되는 집전판은 니켈 메시(nickel mesh)가 적용되고, 음극 쪽에 구비되는 집전판은 크로퍼 메시(crofer mesh)가 적용된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  7. 제6항에 있어서, 상기 집전판은 니켈-코발트 코팅이 된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  8. 연료와 공기의 화학적인 반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 적어도 하나 이상의 셀 유닛을 구비한 고체산화물 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에 구비된 셀 유닛으로 연료를 공급해주는 연료공급수단; 및
    상기 연료전지 스택에 구비된 셀 유닛으로 공기를 공급해주는 공기공급수단;을 포함하여 이루어지되,
    상기 고체산화물 연료전지 스택은,
    일측에 공기 유입구 및 공기 배출구가 형성된 바텀플레이트;
    상기 바텀플레이트로부터 이격된 상부측에 배치되며, 일측에 연료 유입구 및 연료 배출구가 형성된 어퍼플레이트;
    상기 바텀플레이트와 어퍼플레이트 사이에 조립되며, 양극과 음극 사이에 전해질이 개재된 형태를 갖는 단위 셀 유닛이 복수 개 적층되어 이루어진 셀 스택(cell stack);
    상기 공기 유입구를 통해 유입된 공기를 예열시켜 상기 셀 스택에 구비된 각 셀 유닛으로 고르게 분배해 주는 음극측 열교환기;
    상기 연료 유입구를 통해 유입된 연료를 예열시켜 상기 셀 스택에 구비된 각 셀 유닛으로 고르게 분배해 주는 양극측 열교환기;
    상기 바텀플레이트와 어퍼플레이트, 셀 유닛, 음극측 열교환기 및 양극측 열교환기들 사이를 밀폐하는 동시에 전기적으로 절연시켜 주는 실링부재;를 포함하며,
    상기 셀 스택과 열교환기 및 실링부재를 수직방향으로 관통하도록 형성된 연료 및 공기의 유동 통로에 있어, 상기 연료 및 공기가 유입되는 유입통로는 그 입구로부터 내부로 들어갈수록 면적이 점차 줄어들고, 연료 및 공기가 배출되는 각 배출통로는 그 출구 쪽으로 갈수록 면적이 점차 확장되도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항의 연료전지 시스템을 구비한 연료전지 차량.
  10. 삭제
KR1020120109076A 2012-09-28 2012-09-28 균일한 유동분배 구조를 갖는 금속재 실링 고체산화물 연료전지 스택 Active KR101407937B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120109076A KR101407937B1 (ko) 2012-09-28 2012-09-28 균일한 유동분배 구조를 갖는 금속재 실링 고체산화물 연료전지 스택
US13/854,067 US9054352B2 (en) 2012-09-28 2013-03-30 Solid oxide fuel cell stack with uniform flow distribution structure and metal sealing member

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120109076A KR101407937B1 (ko) 2012-09-28 2012-09-28 균일한 유동분배 구조를 갖는 금속재 실링 고체산화물 연료전지 스택

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140042374A KR20140042374A (ko) 2014-04-07
KR101407937B1 true KR101407937B1 (ko) 2014-06-17

Family

ID=50385521

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120109076A Active KR101407937B1 (ko) 2012-09-28 2012-09-28 균일한 유동분배 구조를 갖는 금속재 실링 고체산화물 연료전지 스택

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9054352B2 (ko)
KR (1) KR101407937B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190026180A (ko) 2017-09-04 2019-03-13 주식회사 엘지화학 연료전지 스택

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6498992B2 (ja) * 2015-03-31 2019-04-10 日本特殊陶業株式会社 平板型燃料電池
FR3040061B1 (fr) 2015-08-12 2017-09-08 Commissariat Energie Atomique Procedes d' (de co-) electrolyse de l'eau (soec) ou de production d'electricite a haute temperature a faibles gradients thermiques au sein respectivement d'un reacteur ou d'une pile a combustible (sofc)
KR20180000448A (ko) * 2016-06-23 2018-01-03 주식회사 경동나비엔 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지
US10727520B2 (en) 2017-07-18 2020-07-28 Cummins Enterprise Llc Fuel cell stack assembly
KR102054883B1 (ko) * 2018-02-08 2019-12-12 한국에너지기술연구원 평관형 고체산화물 음극 지지체와 이를 포함하는 셀 스택, 및 음극 지지체의 제조 방법
KR102140468B1 (ko) * 2018-12-26 2020-08-03 한국과학기술연구원 스택 내부의 열분포가 개선된 연료전지
CN111244495B (zh) * 2020-03-20 2024-10-22 湖南理工学院 一种燃料自预热的燃料电池电堆
CN111584912B (zh) * 2020-04-02 2022-11-15 潮州三环（集团）股份有限公司 电堆
KR102499211B1 (ko) * 2020-11-23 2023-02-13 한국에너지기술연구원 고체산화물 연료전지용 분리판 모듈 및 이를 포함하는 연료전지용 스택
CN114583215B (zh) * 2020-12-01 2024-09-20 中国科学院大连化学物理研究所 一种平板型固体氧化物燃料电池测试装置及其应用
CN115395044B (zh) * 2021-05-25 2025-04-29 国家能源投资集团有限责任公司 一种用于燃料电池堆塔的密封结构
KR102787787B1 (ko) * 2022-05-13 2025-03-31 한국에너지기술연구원 고체산화물 셀 스택용 믹싱 챔버 및 이를 포함하는 고체산화물 셀 스택
KR20240150949A (ko) * 2023-04-10 2024-10-17 피엔피에너지텍 주식회사 매니폴드
CN117233502B (zh) * 2023-09-15 2024-05-14 华北电力大学 固体氧化物电池分区连接体测试装置及其测试方法
KR102680450B1 (ko) * 2023-10-25 2024-07-03 주식회사 미코파워 연료전지 적층 구조체 및 이를 포함하는 연료전지 시스템

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07176315A (ja) * 1993-12-21 1995-07-14 Tokyo Gas Co Ltd 平板型固体電解質燃料電池システム
JPH07109772B2 (ja) * 1988-03-22 1995-11-22 石川島播磨重工業株式会社 内部マニホールド型燃料電池発電装置
JP2006202727A (ja) 2004-12-24 2006-08-03 Ngk Spark Plug Co Ltd 固体電解質形燃料電池
KR20070117841A (ko) * 2006-06-09 2007-12-13 삼성에스디아이 주식회사 스택에 열교환기가 내장된 연료전지

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3498981B2 (ja) 1993-10-12 2004-02-23 不二サッシ株式会社 連棟可能な移動建物
US20040163800A1 (en) * 2003-02-25 2004-08-26 Richardson Curtis A. Heat exchanger for heating of fuel cell combustion air
US7943266B2 (en) * 2005-10-25 2011-05-17 General Electric Company SOFC seal and cell thermal management
FR2900067B1 (fr) 2006-04-20 2008-07-18 Commissariat Energie Atomique Systeme d'echangeur de chaleur comportant des zones de circulation fluidique revetues de facon selective par un catalyseur de reaction chimique
BRPI0917632A2 (pt) * 2008-08-21 2017-07-11 Ceres Ip Co Ltd Aperfeiçoamento para escoamento de ar em anteparo de escoamento em compartimentos de combustível empilhados com emprego de um dispositivo de distribuição de ar
JP5619482B2 (ja) 2010-06-17 2014-11-05 日本特殊陶業株式会社 燃料電池
KR20120078393A (ko) 2010-12-31 2012-07-10 삼성전자주식회사 연료전지용 스택의 단위셀 및 이 단위셀을 포함하는 연료전지용 스택

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07109772B2 (ja) * 1988-03-22 1995-11-22 石川島播磨重工業株式会社 内部マニホールド型燃料電池発電装置
JPH07176315A (ja) * 1993-12-21 1995-07-14 Tokyo Gas Co Ltd 平板型固体電解質燃料電池システム
JP2006202727A (ja) 2004-12-24 2006-08-03 Ngk Spark Plug Co Ltd 固体電解質形燃料電池
KR20070117841A (ko) * 2006-06-09 2007-12-13 삼성에스디아이 주식회사 스택에 열교환기가 내장된 연료전지

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190026180A (ko) 2017-09-04 2019-03-13 주식회사 엘지화학 연료전지 스택

Also Published As

Publication number Publication date
US20140093805A1 (en) 2014-04-03
KR20140042374A (ko) 2014-04-07
US9054352B2 (en) 2015-06-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101407937B1 (ko) 균일한 유동분배 구조를 갖는 금속재 실링 고체산화물 연료전지 스택
CN100490240C (zh) 高分子电解质型燃料电池
CN1087506C (zh) 熔融碳酸盐型燃料电池及使用这种电池的发电装置
US8551671B2 (en) Fuel cell fluid sealing structure
US9269969B2 (en) Fuel cell stack
US8003273B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell sealing member for the same
CN101335358B (zh) 燃料电池
US20150311559A1 (en) Fuel cell stack
CN108963293B (zh) 一种质子交换膜燃料电池单元及燃料电池堆和组装工艺及控制方法
EP2424028A2 (en) Stack for a solid oxide fuel cell using a flat tubular structure
CN1312797C (zh) 燃料电池和燃料电池组
CN108232270B (zh) 燃料电池堆
CN109546193B (zh) 燃料电池堆
CN101271984A (zh) 燃料电池组
CN107579262B (zh) 一种平板型固体氧化物燃料电池连接部件及其应用
KR100413397B1 (ko) 고분자전해질형 연료전지와 그 사용방법
KR100633464B1 (ko) 고분자 전해질 연료전지와 스택 및 그 제조방법
JP6777669B2 (ja) 電気化学反応セルスタックの運転方法および電気化学反応システム
JP2003123801A (ja) 高分子電解質型積層燃料電池
CN113707901B (zh) 极板及其制造方法、电池单体及燃料电池
CN111971833A (zh) 燃料电池板和流动结构设计
KR20190123818A (ko) 환원 분위기의 집전판을 가지는 평관형 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제작 방법
KR20190058583A (ko) 전기 화학 반응 셀 스택
US11271221B2 (en) Electrochemical reaction cell stack, interconnector-electrochemical reaction unit cell composite, and method for manufacturing electrochemical reaction cell stack
EP2681795B1 (en) Fuel cell stack

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20120928

PA0201 Request for examination
PG1501 Laying open of application
E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20140529

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20140610

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20140611

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170308

Year of fee payment: 4

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20170308

Start annual number: 4

End annual number: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180416

Year of fee payment: 5

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20180416

Start annual number: 5

End annual number: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190326

Year of fee payment: 6

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20190326

Start annual number: 6

End annual number: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200309

Year of fee payment: 7

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20200309

Start annual number: 7

End annual number: 7

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20210310

Start annual number: 8

End annual number: 8

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20230404

Start annual number: 10

End annual number: 10

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20240312

Start annual number: 11

End annual number: 11