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KR20170126715A - 연료전지 스택 구조체 - Google Patents

연료전지 스택 구조체 Download PDF

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KR20170126715A
KR20170126715A KR1020160057115A KR20160057115A KR20170126715A KR 20170126715 A KR20170126715 A KR 20170126715A KR 1020160057115 A KR1020160057115 A KR 1020160057115A KR 20160057115 A KR20160057115 A KR 20160057115A KR 20170126715 A KR20170126715 A KR 20170126715A
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KR
South Korea
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cell stack
fuel cell
electrically connected
topmost
disposed
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Withdrawn
Application number
KR1020160057115A
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English (en)
Inventor
송상현
최성호
박진아
Original Assignee
주식회사 미코
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Publication date
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Priority to US16/097,931 priority patent/US11056709B2/en
Priority to CN201780025333.1A priority patent/CN109075371B/zh
Priority to PCT/KR2017/003009 priority patent/WO2017195978A1/ko
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Abstract

연료전지 스택 구조체가 개시된다. 연료전지 스택 구조체는 제1 단전지 적층 구조체 중 최상부에 위치한 제1 최상부 연결재를 노출시키는 제1 관통 개구가 형성된 제1 상부 프레임 구조체를 구비하는 제1 연료전지 스택, 제2 단전지 적층 구조체 중 최상부에 위치한 제2 최상부 연결재를 노출시키는 제2 관통 개구가 형성된 제2 상부 프레임 구조체를 구비하는 제2 연료전지 스택 및 제1 및 제2 관통 개구를 통하여 제1 및 제2 최상부 연결재들을 전기적으로 연결하는 제1 집전체를 구비한다.

Description

연료전지 스택 구조체 {FUEL CELL STACK STRUCTURE}
본 발명은 연료전지 스택 구조체에 관한 것으로서, 전기화학반응을 통하여 전기 에너지를 생성하는 연료전지의 스택 구조체에 에 관한 것이다.
연료전지는 전기화학반응을 통하여 원료의 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키는 장치로서 일반적인 열기관에 비해 에너지 효율이 현저하게 높고 오염 물질의 배출이 거의 없는 장점을 가진다.
연료전지는 단전지의 형태에 따라 다양하게 구분될 수 있는데, 이 중 평판형 연료전지는 높은 전력밀도를 얻을 수 있는 장점을 가지고 있어, 현재 널리 개발 중다.
일반적으로 평판형 연료전지 시스템은 고출력을 위해 복수의 단전지를 적층하여 형성된 연료전지 스택 복수개를 서로 전기적으로 연결하여 이용한다. 이 경우, 복수개의 연료전지 스택을 서로 전기적으로 연결하는 과정에서 접촉 저항의 발생으로 전기 에너지가 손실되는 문제점이 있다.
본 발명은 목적은 집전 효율이 현저하게 향상된 연료전지 스택 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 구조체는 제1 단전지 적층 구조체, 상기 제1 단전지 적층 구조체의 상부에 배치되고 상기 제1 단전지 적층 구조체 중 최상부에 위치한 제1 최상부 연결재를 노출시키는 제1 관통 개구가 형성된 제1 상부 프레임 구조체 및 상기 제1 단전지 적층 구조체의 하부에 배치된 제1 하부 프레임 구조체를 포함하는 제1 연료전지 스택; 제2 단전지 적층 구조체, 상기 제2 단전지 적층 구조체의 상부에 배치되고 상기 제2 단전지 적층 구조체 중 최상부에 위치한 제2 최상부 연결재를 노출시키는 제2 관통 개구가 형성된 제2 상부 프레임 구조체 및 상기 제2 단전지 적층 구조체의 하부에 배치된 제2 하부 프레임 구조체를 포함하고, 상기 제1 연료전지 스택과 인접하게 배치되는 제2 연료전지 스택; 및 상기 제1 관통 개구에 삽입되어 상기 제1 최상부 연결재와 전기적으로 연결되는 제1 접촉부, 상기 제2 관통 개구에 삽입되어 상기 제2 최상부 연결재와 전기적으로 연결되는 제2 접촉부 및 상기 제1 및 제2 상부 프레임 구조체 상부에 배치되고 상기 제1 접촉부와 상기 제2 접촉부를 연결하는 연결부를 구비하며, 상기 제1 및 제2 최상부 연결재들을 전기적으로 연결하는 제1 집전체를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 접촉부는 상기 제1 관통 개구 내부에서 상기 제1 최상부 연결재 상에 배치되어 상기 제1 최상부 연결재와 전기적으로 연결되는 제1 바닥부 및 상기 제1 바닥부의 가장자리로부터 상기 제1 관통 개구의 측벽을 따라 연장되어 상기 연결부에 연결되는 제1 측벽부를 포함할 수 있고, 상기 제2 접촉부는 상기 제2 관통 개구 내부에서 상기 제2 최상부 연결재 상에 배치되어 상기 제2 최상부 연결재와 전기적으로 연결되는 제2 바닥부 및 상기 제2 바닥부의 가장자리로부터 상기 제2 관통 개구의 측벽을 따라 연장되어 상기 연결부에 연결되는 제2 측벽부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 바닥부와 상기 제1 최상부 연결재 사이 및 상기 제2 바닥부와 상기 제2 최상부 연결재 사이에는 도전성 페이스트, 도전성 메쉬 구조체 또는 도전성 탄성 플레이트가 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 스택 구조체는 상기 제1 접촉부를 상기 제1 최상부 연결재에 대해 가압하는 제1 가압지그 및 상기 제2 접촉부를 상기 제1 연료전지 스택(1200)의 제2 최상부 연결재에 대해 가압하는 제2 가압지그를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 가압지그는 상기 제1 관통 개구 외부에 배치되고 상기 제1 집전체의 연결부를 상기 제1 상부 프레임 구조체에 대해 가압하는 제1 플레이트부 및 상기 제1 플레이트부의 하부면으로부터 돌출되고 상기 제1 관통 개구 내부로 삽입되어 상기 제1 접촉부를 상기 제1 최상부 연결재에 대해 가압하는 제1 돌출부를 포함하고, 상기 제2 가압지그는 상기 제2 관통 개구 외부에 배치되고 상기 제1 집전체의 연결부를 상기 제2 상부 프레임 구조체에 대해 가압하는 제2 플레이트부 및 상기 제2 플레이트부의 하부면으로부터 돌출되고 상기 제2 관통 개구 내부로 삽입되어 상기 제2 접촉부를 상기 제2 최상부 연결재에 대해 가압하는 제2 돌출부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 스택 구조체는 상기 제1 가압지그를 상기 제1 상부 프레임 구조체에 결합시키는 제1 체결장치 및 상기 제2 가압지그를 상기 제2 상부 프레임 구조체에 결합시키는 제2 체결장치를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 체결장치는 상기 제1 가압지그를 관통하여 상기 제1 상부 프레임 구조체에 삽입되는 복수의 제1 체결 나사를 포함하고, 상기 제2 체결장치는 상기 제2 가압지그를 관통하여 상기 제2 상부 프레임 구조체에 삽입되는 복수의 제2 체결 나사를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 하부 프레임 구조체에는 상기 제1 단전지 적층 구조체 중 최하부에 위치한 제1 최하부 연결재를 노출시키는 제3 관통 개구 및 상기 제2 단전지 적층 구조체 중 최하부에 위치한 제2 최하부 연결재를 노출시키는 제4 관통 개구가 각각 형성되고, 상기 연료전지 스택 구조체는 상기 제3 및 제4 관통 개구를 통하여 상기 제1 및 제2 최하부 연결재들을 전기적으로 연결시키는 제2 집전체를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 집전체는 상기 제1 및 제2 하부 프레임 구조체들 하부에 배치된 연결 전극부, 상기 연결 전극부의 상부면으로부터 돌출되고 상기 제3 관통 개구를 관통하여 상기 제1 최하부 연결재와 전기적으로 연결되는 제1 돌출 전극부 및 상기 제1 돌출 전극부와 이격된 상기 연결 전극부의 상부면으로부터 돌출되고 상기 제4 관통 개구를 관통하여 상기 제2 최하부 연결재와 전기적으로 연결되는 제2 돌출 전극부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 스택 구조체는 상기 제2 집전체 하부에 배치되어 상기 제1 및 제2 연료전지 스택을 지지하는 베이스 지지체를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 제1 및 제2 연료전지 스택의 상부 프레임 구조체에 제1 연결재의 50% 이상을 노출시키는 상대적으로 큰 관통 개구를 형성하고, 상기 관통 개구들을 통하여 제1 및 제2 연료전지 스택의 제1 연결재들과 상기 제1 집전체를 면접촉시킴으로써 상기 제1 연결재들과 상기 제1 집전체의 접촉 저항을 현저하게 감소시킬 수 있고, 그 결과 집전 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다. 그리고, 가압 지그를 통하여 상기 제1 집전체를 상기 제1 연결재들에 가압함으로써 상기 제1 집전체와 상기 제1 연결재들의 안정적인 전기적 연결을 달성할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 연료전지 스택의 하부 프레임 구조체에 제3 연결재를 노출시키는 관통 개구를 형성하고, 이를 통하여 상기 제1 및 제2 연료전지 스택의 제3 연결재들과 상기 제2 집전체를 면접촉시킴으로써 집전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 구조체를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 스택 구조체의 부분 분해 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에서 본 발명을 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 확대 또는 축소하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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 사용되고 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 스택 구조체를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 연료전지 스택 구조체의 분해 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 구조체(1000)는 제1 연료전지 스택(1100), 상기 제1 연료전지 스택(1000)과 인접하게 배치된 제2 연료전지 스택(1200), 상기 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200)의 최상부 연결재들(1113A, 1213A)을 서로 전기적으로 연결하는 제1 집전체(1300), 상기 제1 집전체(1300)를 상기 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200)에 가압하는 가압지그(1400) 및 상기 가압지그(1400)를 상기 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200)에 결합시키는 체결장치(1500)를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200) 각각은 단전지 적층 구조체(1110, 1210), 상부 프레임 구조체(1120, 1220) 및 하부 프레임 구조체(1130, 1230)를 포함할 수 있다.
상기 단전지 적층 구조체(1110, 1210)은 복수의 단전지들(1111, 1211), 상기 단전지들(1111, 1211)의 가장 자리를 지지하는 복수의 셀프레임들(1112, 1212), 상기 단전지들(1111, 1211)을 전기적으로 연결하는 복수의 연결재들(1113, 1213)을 포함할 수 있다. 상기와 같은 단전지 적층 구조체(1110, 1210)는 복수의 단전지들(1111, 1211)이 지지된 셀프레임들(1112, 1212)과 연결재들(1113, 1213)이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
상기 단전지들(1111, 1211) 각각은 연료전지의 평판형 단전지일 수 있다. 예를 들면, 상기 단전지들(1111, 1211) 각각은 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC) 등의 평판형 단전지일 수 있다.
일 실시예로, 상기 단전지들(1111, 1211)이 고체산화물 연료전지의 평판형 단전지인 경우, 상기 단전지들(1111, 1211) 각각은 제1 전극, 제2 전극 및 이들 사이에 위치하는 고체 산화물 전해질을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 연료가 공급되는 연료극(anode)일 수 있고, 나머지 하나는 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 전해질(1113)을 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, 1211) 각각은 상기와 같이 반응을 통해 생성된 전자를 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있다.
상기 셀프레임들(1112, 1212) 각각은 상기 단전지들(1111, 1211) 각각의 가장자리 부분을 지지하여 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200)의 조립성 및 내구성을 향상시킬 수 있다. 일 실시예로, 상기 셀프레임들(1112, 1212) 각각은 지지된 단전지(1111, 1211)의 제1 및 제2 전극 중 하부 전극을 노출시키는 채널용 개구가 가운데 형성된 사각형 액자 형태의 프레임 구조를 가질 수 있다.
상기 연결재들(1113, 1213)은 상기 단전지들(1111, 1211)을 서로 전기적으로 연결하고, 상기 단전지들(1111, 1211)에 의해 생성된 전기 에너지를 외부로 전달할 수 있다. 이를 위하여 상기 연결재들(1113, 1213)은 도전성 세라믹 또는 금속 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 연결재들(1113, 1213)은 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 LaCrO3계열의 세라믹 재질 또는 철(Fe)-크롬(Cr) 계열의 금속 재질로 형성될 수 있다. 그리고 상기 연결재들(1113, 1213) 각각은 상기 셀프레임(1112, 1212)과 동일한 형상의 테두리를 갖는 사각 플레이트 구조를 가질 수 있다.
상기 연결재들(1113, 1213)은 상기 상부 프레임 구조체(1120, 12220)와 상기 단전지들(1111, 1211) 중 최상부 단전지 사이에 배치된 제1 연결재(1113A, 1213A), 상기 단전지들(1111, 1211) 사이에 배치된 복수의 제2 연결재들(1113B, 1213B) 및 상기 하부 프레임 구조체(1130, 1230)와 상기 단전지들(1111, 1211) 중 최하부 단전지 사이에 배치된 제3 연결재(1113C, 1213C)를 포함할 수 있다. 상기 제2 연결재들(1113B, 1213B)은 상기 단전지들(1111, 1211)을 서로 전기적으로 연결할 수 있고, 상기 제1 연결재(1113A, 1213A) 및 제3 연결재(1113C, 1213C)는 상기 단전지들(1111, 1211)로부터 생성된 전기 에너지를 외부 회로에 전달할 수 있다.
상기 상부 프레임 구조체(1120, 1220) 및 상기 하부 프레임 구조체(1130, 1230)는 상기 단전지 적층 구조체(1110, 1210)의 상부 및 하부에 각각 배치되어, 상기 단전지 적층 구조체(1110, 1210)에 균일한 압력이 인가될 수 있도록 한다. 한편, 도면에 도시되진 않았지만, 상기 상부 프레임 구조체(1120, 1220) 및 상기 하부 프레임 구조체(1130, 1230) 중 적어도 하나는 외부 연료공급부(미도시) 및 외부 공기 공급부(미도시)와 연결되고, 내부에 상기 단전지 적층 구조체(1110, 1210)에 연료 및 산소를 공급 또는 배출하기 위한 유로가 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 상부 프레임 구조체(1120, 1220)는 상기 제1 연결재(1113A, 1213A)를 노출시키는 하나 이상의 제1 관통 개구를 구비할 수 있다. 상기 제1 관통 개구의 면적 및 형상은 상기 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 관통 개구는 상기 제1 연결재(1113A, 1213A) 상부면의 약 50% 이상을 노출시키는 사각형 형상을 가질 수 있다.
상기 제1 집전체(1300)는 전기 전도성 재질로 형성되고, 상기 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200)의 제1 연결재들(1113A, 1213A)을 서로 전기적으로 연결할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 연료전지 스택(1100) 상부 프레임 구조체(1120)의 제1 관통 개구에 삽입되어 상기 제1 연료전지 스택(1100)의 제1 연결재(1113A)와 전기적으로 연결되는 제1 접촉부(1310), 상기 제2 연료전지 스택(1200) 상부 프레임 구조체(1220)의 제1 관통 개구에 삽입되어 상기 제2 연료전지 스택(1200)의 제1 연결재(1213A)와 전기적으로 연결되는 제2 접촉부(1320) 및 상기 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200)의 상부 프레임 구조체(1120, 1220) 상에 배치되고 상기 제1 접촉부(1310)와 상기 제2 접촉부(1320)를 연결하는 연결부(1330)를 포함할 수 있다.
그리고 상기 제1 및 제2 접촉부(1310, 1320) 각각은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 상기 상부 프레임 구조체(1120, 1220)의 제1 관통 개구 내부에서 상기 제1 연결재(1113A, 1213A) 상에 배치되어 상기 제1 연결재(1113A, 1213A)와 전기적으로 연결되는 바닥부 및 상기 바닥부의 가장자리로부터 상기 상부 프레임 구조체(1120, 1220) 제1 관통 개구의 측벽을 따라 연장되어 상기 바닥부와 상기 연결부(1330)를 연결하는 측벽부를 포함할 수 있다. 한편, 상기 제1 및 제2 접촉부(1310, 1320)의 바닥부는 상기 제1 연결재와 직접 면접촉할 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 및 제2 접촉부(1310, 1320)의 바닥부와 상기 제1 연결재(1113A, 1213A) 사이에는 도전성 페이스트, 도전성 메쉬 구조체, 도전성 탄성 플레이트 등이 배치되고 상기 제1 및 제2 접촉부(1310, 1320)의 바닥부는 이를 통하여 상기 제1 연결재(1113A, 1213A)에 전기적으로 연결될 수도 있다.
일 실시예로, 상기 제1 집전체(1300)의 제1 및 제2 접촉부(1310, 1320) 그리고 연결부(1330)는 전도성 플레이트를 이용하여 일체로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제 2 연료전지 스택(1100, 1200)의 상기 제1 관통 개구의 폭보다 작은 폭을 가지고 일정한 길이를 가진 전도성 플레이트 중 일부분을 절곡하여 상기 제1 및 제 2 연료전지 스택(1100, 1200)의 상기 제1 관통 개구들에 삽입시킴으로써 상기 제1 집전체(1300)가 형성될 수 있다.
상기 가압지그(1400)는 상기 제1 집전체(1300)를 상기 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200)에 가압할 수 있다. 일 실시예로, 상기 가압지그(1400)는 상기 제1 접촉부(1310)를 상기 제1 연료전지 스택(1100)의 제1 연결재(1113A)에 대해 가압하는 제1 가압지그(1410) 및 상기 제2 접촉부(1320)를 상기 제2 연료전지 스택(1200)의 제1 연결재(1213A)에 대해 가압하는 제2 가압지그(1420)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 가압지그(1410)는 상기 제1 연료전지 스택(1100) 중 상부 프레임 구조체(1120)의 제1 관통 개구 외부에 배치되고 상기 제1 집전체(1300)의 연결부(1330)를 상기 상부 프레임 구조체(1120)의 상부면에 대해 가압하는 제1 플레이트부(1411) 및 상기 제1 플레이트부(1411)의 하부면으로부터 돌출되고 상기 상부 프레임 구조체(1120)의 제1 관통 개구 내부로 삽입되어 상기 제1 집전체(1300)의 제1 접촉부(1310)을 상기 제1 연료전지 스택(1100)의 제1 연결재(1113A)에 대해 가압하는 제1 돌출부(1412)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 제2 가압지그(1420)는 상기 제2 연료전지 스택(1200) 중 상부 프레임 구조체(1220)의 제1 관통 개구 외부에 배치되고 상기 제1 집전체(1300)의 연결부(1330)를 상기 상부 프레임 구조체(1220)의 상부면에 대해 가압하는 제2 플레이트부(1421) 및 상기 제2 플레이트부(1421)의 하부면으로부터 돌출되고 상기 상부 프레임 구조체(1220)의 제1 관통 개구 내부로 삽입되어 상기 제1 집전체(1300)의 제2 접촉부(1320)을 상기 제2 연료전지 스택(1200)의 제1 연결재(1213A)에 대해 가압하는 제2 돌출부(1422)를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 돌출부(1412, 1422)는 편평한 하부면을 갖는 원 또는 다각형의 기둥 형상을 가질 수 있다.
상기 체결장치(1500)는 상기 가압지그(1400)를 상기 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200)에 결합시킬 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 체결장치(1500)는 상기 제1 가압지그(1410)를 상기 제1 연료전지 스택(1100)의 상부 프레임 구조체(1120)에 결합시키는 제1 체결장치(1510) 및 상기 제2 가압지그(1420)를 상기 제2 연료전지 스택(1200)의 상부 프레임 구조체(1220)에 결합시키는 제2 체결장치(1520)를 구비할 수 있다. 상기 제1 및 제2 체결장치(1510, 1520) 각각은 도 1에 도시된 바와 같이 복수의 체결 나사를 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 체결 나사를 통해 상기 제1 및 제2 가압지그(1410, 1420)가 상기 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200)의 제1 연결재(1113A, 1213A)를 가압하는 압력을 조절할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 구조체(1000)는 상기 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200)의 최하부 연결재들인 제3 연결재들(1113C, 1213C)을 서로 전기적으로 연결하는 제2 집전체(1600) 및 상기 제2 집전체(1600) 하부에 배치되어 상기 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200)을 지지하는 베이스 지지체(1700)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200)의 하부 프레임 구조체들(1130, 1230) 각각에는 상기 제3 연결재(1113C, 1213C)를 노출시키는 하나 이상의 제2 관통 개구가 형성될 수 있다.
상기 제2 집전체(1600)는 상기 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200)의 하부 프레임 구조체들(1120, 1220) 하부에 배치된 연결 전극부(1610), 상기 연결 전극부(1610)의 상부면으로부터 돌출되고 상기 제1 연료전지 스택(1100) 하부 프레임 구조체(1130)의 제2 관통 개구를 관통하여 상기 제1 연료전지 스택(1130)의 제3 연결재(1113C)와 전기적으로 연결되는 제1 돌출 전극부(1620) 및 상기 연결 전극부(1610)의 상부면으로부터 돌출되고 상기 제2 연료전지 스택(1200) 하부 프레임 구조체(1230)의 제2 관통 개구를 관통하여 상기 제2 연료전지 스택(1200)의 제3 연결재(1213C)와 전기적으로 연결되는 제2 돌출 전극부(1630)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 연결 전극부(1610)는 플레이트 구조를 가질 수 있고, 상기 제1 및 제2 돌출 전극부(1620, 1630) 각각은 편평한 상부면을 갖는 원 또는 다각형의 단면의 기둥 구조를 가질 수 있다.
상기 베이스 지지체(1700)는 상기 제2 집전체(1600) 하부에 배치되어 상기 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200)을 지지할 수 있다. 즉, 상기 베이스 지지체(1700)는 연료전지 스택을 지지하는 지지 프레임으로 기능할 수 있다. 상기 베이스 지지체(1700)는 상기 제2 집전체(1600)와의 절연을 위해 절연 물질로 형성되거나 상기 제2 집전체(1600)와 접촉하는 상부면에 절연막을 구비할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 베이스 지지체(1700) 내부에는 연료 또는 공기가 이동할 수 있는 유로가 형성되거나 유로를 형성하는 파이프 등이 내장될 수 있다. 예를 들면, 상기 베이스 지지체(1700) 내부에는 외부 연료 공급부(미도시) 또는 공기 공급부(미도시)와 연결되어 상기 제1 연료전지 스택(1100)과 상기 제2 연료전지 스택(1200)에 연료 또는 공기를 공급하는 유로가 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1 및 제2 집전체(1300, 1600)를 이용할 경우, 상기 제1 연료전지 스택(1100)과 상기 제2 연료전지 스택(1200)을 전기적으로 병렬로 연결할 수도 있고, 전기적으로 직렬로 연결할 수도 있다.
일 실시예로, 상기 제1 연료전지 스택(1100)과 상기 제2 연료전지 스택(1200)이 모두 하부에 공기극이 위치하고 상부에 연료극이 위치하도록 배치되거나 하부에 연료극이 위치하고 상부에 공기극이 위치하도록 배치된 경우, 상기 제1 및 제2 집전체(1300, 1600)에 의해 상기 제1 연료전지 스택(1100)과 상기 제2 연료전지 스택(1200)은 서로 전기적으로 병렬로 연결될 수 있다.
이와 달리, 다른 실시예로, 상기 제1 연료전지 스택(1100)은 하부에 공기극이 위치하고 상부에 연료극이 위치하도록 배치되고 상기 제2 연료전지 스택(1200)은 하부에 연료극이 위치하고 상부에 공기극이 위치하도록 배치된 경우 또는 상기 제1 연료전지 스택(1100)은 하부에 연료극이 위치하고 상부에 공기극이 위치하도록 배치되고 상기 제2 연료전지 스택(1200)은 하부에 공기극이 위치하고 상부에 연료극이 위치하도록 배치된 경우, 상기 제1 및 제2 집전체(1300, 1600)에 의해 상기 제1 연료전지 스택(1100)과 상기 제2 연료전지 스택(1200)은 서로 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다.
한편, 상기 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200) 각각은 조립성 향상 및 상기 단전지 적층 구조체(1110, 1210)에 균일한 압력을 인가하기 위하여 상기 단전지 적층 구조체(1110, 1210), 상기 상부 프레임 구조체(1120, 1220) 및 상기 하부 프레임 구조체(1130, 1230)를 관통하는 스택 체결구(미도시)를 더 포함할 수 있고, 상기 스택 체결구는 상기 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200)을 상기 베이스 지지체(1700) 상에 안정적으로 고정시키기 위하여, 상기 베이스 지지체(1700)에도 결합될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 연료전지 스택(1100, 1200)의 상기 스택 체결구는 상기 베이스 지지체(1700)에 나사 결합될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 제1 및 제2 연료전지 스택의 상부 프레임 구조체에 제1 연결재의 50% 이상을 노출시키는 상대적으로 큰 관통 개구를 형성하고, 상기 관통 개구들을 통하여 제1 및 제2 연료전지 스택의 제1 연결재들과 상기 제1 집전체를 면접촉시킴으로써 상기 제1 연결재들과 상기 제1 집전체의 접촉 저항을 현저하게 감소시킬 수 있고, 그 결과 집전 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다. 그리고, 가압 지그를 통하여 상기 제1 집전체를 상기 제1 연결재들에 가압함으로써 상기 제1 집전체와 상기 제1 연결재들의 안정적인 전기적 연결을 달성할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 연료전지 스택의 하부 프레임 구조체에 제3 연결재를 노출시키는 관통 개구를 형성하고, 이를 통하여 상기 제1 및 제2 연료전지 스택의 제3 연결재들과 상기 제2 집전체를 면접촉시킴으로써 집전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 제1 단전지 적층 구조체, 상기 제1 단전지 적층 구조체의 상부에 배치되고 상기 제1 단전지 적층 구조체 중 최상부에 위치한 제1 최상부 연결재를 노출시키는 제1 관통 개구가 형성된 제1 상부 프레임 구조체 및 상기 제1 단전지 적층 구조체의 하부에 배치된 제1 하부 프레임 구조체를 포함하는 제1 연료전지 스택;
    제2 단전지 적층 구조체, 상기 제2 단전지 적층 구조체의 상부에 배치되고 상기 제2 단전지 적층 구조체 중 최상부에 위치한 제2 최상부 연결재를 노출시키는 제2 관통 개구가 형성된 제2 상부 프레임 구조체 및 상기 제2 단전지 적층 구조체의 하부에 배치된 제2 하부 프레임 구조체를 포함하고, 상기 제1 연료전지 스택과 인접하게 배치되는 제2 연료전지 스택; 및
    상기 제1 관통 개구에 삽입되어 상기 제1 최상부 연결재와 전기적으로 연결되는 제1 접촉부, 상기 제2 관통 개구에 삽입되어 상기 제2 최상부 연결재와 전기적으로 연결되는 제2 접촉부 및 상기 제1 및 제2 상부 프레임 구조체 상부에 배치되고 상기 제1 접촉부와 상기 제2 접촉부를 연결하는 연결부를 구비하며, 상기 제1 및 제2 최상부 연결재들을 전기적으로 연결하는 제1 집전체를 포함하는 연료전지 스택 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접촉부는 상기 제1 관통 개구 내부에서 상기 제1 최상부 연결재 상에 배치되어 상기 제1 최상부 연결재와 전기적으로 연결되는 제1 바닥부 및 상기 제1 바닥부의 가장자리로부터 상기 제1 관통 개구의 측벽을 따라 연장되어 상기 연결부에 연결되는 제1 측벽부를 포함하고,
    상기 제2 접촉부는 상기 제2 관통 개구 내부에서 상기 제2 최상부 연결재 상에 배치되어 상기 제2 최상부 연결재와 전기적으로 연결되는 제2 바닥부 및 상기 제2 바닥부의 가장자리로부터 상기 제2 관통 개구의 측벽을 따라 연장되어 상기 연결부에 연결되는 제2 측벽부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 바닥부와 상기 제1 최상부 연결재 사이 및 상기 제2 바닥부와 상기 제2 최상부 연결재 사이에는 도전성 페이스트, 도전성 메쉬 구조체 또는 도전성 탄성 플레이트가 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접촉부를 상기 제1 최상부 연결재에 대해 가압하는 제1 가압지그 및 상기 제2 접촉부를 상기 제1 연료전지 스택의 제2 최상부 연결재에 대해 가압하는 제2 가압지그를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 가압지그는 상기 제1 관통 개구 외부에 배치되고 상기 제1 집전체의 연결부를 상기 제1 상부 프레임 구조체에 대해 가압하는 제1 플레이트부 및 상기 제1 플레이트부의 하부면으로부터 돌출되고 상기 제1 관통 개구 내부로 삽입되어 상기 제1 접촉부를 상기 제1 최상부 연결재에 대해 가압하는 제1 돌출부를 포함하고,
    상기 제2 가압지그는 상기 제2 관통 개구 외부에 배치되고 상기 제1 집전체의 연결부를 상기 제2 상부 프레임 구조체에 대해 가압하는 제2 플레이트부 및 상기 제2 플레이트부의 하부면으로부터 돌출되고 상기 제2 관통 개구 내부로 삽입되어 상기 제2 접촉부를 상기 제2 최상부 연결재에 대해 가압하는 제2 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 가압지그를 상기 제1 상부 프레임 구조체에 결합시키는 제1 체결장치 및 상기 제2 가압지그를 상기 제2 상부 프레임 구조체에 결합시키는 제2 체결장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 체결장치는 상기 제1 가압지그를 관통하여 상기 제1 상부 프레임 구조체에 삽입되는 복수의 제1 체결 나사를 포함하고, 상기 제2 체결장치는 상기 제2 가압지그를 관통하여 상기 제2 상부 프레임 구조체에 삽입되는 복수의 제2 체결 나사를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 최상부 연결재는 상기 제1 단전지 적층 구조체의 연료극과 전기적으로 연결되고 상기 제2 최상부 연결재는 상기 제2 단전지 적층 구조체의 연료극과 전기적으로 연결되어, 상기 제1 집전체는 상기 제1 연료전지 적층 구조체와 상기 제2 단전지 적층 구조체를 전기적으로 병렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 최상부 연결재는 상기 제1 단전지 적층 구조체의 연료극과 전기적으로 연결되고 상기 제2 최상부 연결재는 상기 제2 단전지 적층 구조체의 공기극과 전기적으로 연결되어, 상기 제1 집전체는 상기 제1 연료전지 적층 구조체와 상기 제2 단전지 적층 구조체를 전기적으로 직렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 하부 프레임 구조체에는 상기 제1 단전지 적층 구조체 중 최하부에 위치한 제1 최하부 연결재를 노출시키는 제3 관통 개구 및 상기 제2 단전지 적층 구조체 중 최하부에 위치한 제2 최하부 연결재를 노출시키는 제4 관통 개구가 각각 형성되고,
    상기 연료전지 스택 구조체는 상기 제3 및 제4 관통 개구를 통하여 상기 제1 및 제2 최하부 연결재들을 전기적으로 연결시키는 제2 집전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 집전체는 상기 제1 및 제2 하부 프레임 구조체들 하부에 배치된 연결 전극부, 상기 연결 전극부의 상부면으로부터 돌출되고 상기 제3 관통 개구를 관통하여 상기 제1 최하부 연결재와 전기적으로 연결되는 제1 돌출 전극부 및 상기 제1 돌출 전극부와 이격된 상기 연결 전극부의 상부면으로부터 돌출되고 상기 제4 관통 개구를 관통하여 상기 제2 최하부 연결재와 전기적으로 연결되는 제2 돌출 전극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조체.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 집전체 하부에 배치되어 상기 제1 및 제2 연료전지 스택을 지지하는 베이스 지지체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 베이스 지지체의 내부에는 외부 연료 공급부 또는 외부 공기 공급부와 연결되어 상기 제1 연료전지 스택과 상기 제2 연료전지 스택에 연료 또는 공기를 공급하는 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조체.
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