(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部エンドプレート、
下部エンドプレート、
前記上部エンドプレートおよび前記下部エンドプレートの間に一つ以上の単位電池が積層されて位置する積層構造体、
前記上部エンドプレート、前記下部エンドプレートおよび前記積層構造体を連結するアライメントピン（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  ｐｉｎ）、および
前記アライメントピンの外部を囲んで前記積層構造体のシール材と前記アライメントピンの接触を防止する防止ダム
を含む燃料電池スタックであって、
前記単位電池は、
単位セル、
前記単位セルの上部に位置するウィンドウフレーム、
前記ウィンドウフレームの上部および前記単位セルの下部に位置するインターコネクタ、
前記単位セル、前記ウィンドウフレームおよび前記インターコネクタの間に位置して接着させるシール材、および
前記ウィンドウフレームの上部に位置して前記シール材に荷重を伝達するスペーサ
を含み、
前記防止ダムの高さは、
前記スペーサの高さと同一であり、
前記ウィンドウフレームの内側に、前記インターコネクタから流入される酸素および水素を前記燃料電池スタック内部で流動できるようにする流路が形成される、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記燃料電池スタックは、
前記上部エンドプレート、前記下部エンドプレートおよび前記積層構造体のコーナーに一つ以上のホールが形成され、
前記ホールに前記アライメントピンが挿入され、
前記防止ダムの断面積は、
前記ホールの断面積より広い、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記防止ダムは、
マイカあるいは絶縁セラミックからなる、請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記防止ダムは、
金属素材からなる、請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記防止ダムは、
中空の柱状で提供される、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記防止ダムは、
断面および平面が円形、楕円形、頂点が曲率を有するように処理された曲率角形、三角形、四角形、五角形、および六角形からなる群より選択されたいずれか一つの形状に形成される、請求項５に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は２０１７年０７月１３日に韓国特許庁に出願された韓国特許出願第１０−２０１７−００８８９７８号に基づいた優先権の利益を主張し、該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
【０００２】
本発明は、燃料電池スタックに関し、より詳しくは、アライメントピンの外側に防止ダムが形成されることによって、燃料電池のシール温度において粘性および流動性を有するシール材とアライメントピンが接触および接着するのを防止して、外部から加えられる圧力が燃料電池スタックに均一に印加される燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００３】
一般に、燃料電池（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、炭化水素系の物質内に含まれている水素と、酸素または酸素を含む空気との化学反応エネルギーを直接に電気エネルギーに変換させる発電システムである。
【０００４】
例えば、固体酸化物燃料電池は、水素と酸素の酸化／還元反応によって電気を発生させる単位電池とセパレータとからなる電気生成ユニットが複数積層された構造からなる。単位電池は、電解質膜と、電解質膜の一面に位置する正極（空気極）と、電解質膜の他の一面に位置する負極（燃料極）とを含む。
【０００５】
ここで、正極に酸素を供給し、負極に水素を供給すれば、正極で酸素の還元反応により生成された酸素イオンが電解質膜を経て負極に移動した後、負極に供給された水素と反応して水が生成される。この時、負極で生成された電子が正極に伝達されて消耗される過程で外部回路に電子が流れ、単位電池はこのような電子流れを利用して電気エネルギーを生産する。
【０００６】
一つの単位電池とその両側に位置するセパレータとが一つの単位セルを構成する。このような単位セルは、通常、作動電圧が１．０Ｖ未満として工業的に応用するには足りない。そこで、燃料電池は、電圧を上昇させるように単位セルを電気的に直列連結になるように複数積層してスタック（ｓｔａｃｋ）を形成する。
【０００７】
ここで、スタックは一つ以上の単位セル、インターコネクタ、ウィンドウフレームおよびスペーサなどで構成され、各構成は締結部材によって結合される。そして、各構成の間、すなわち、単位セルとインターコネクタおよびウィンドウフレームの間にシール材が位置して各構成を接着することができる。各構成を接着するためにスタックにシール温度において一定の圧力を加えることができる。
【０００８】
シール温度においてシール材は粘性および流動性を有することができ、よって、従来のスタックは、シール温度において圧力が加えられた時、流動性を有するシール材が外部圧力によって積層構造体から押し出されて締結部材と接触および接着することができる。したがって、従来の燃料電池スタックは、シール材と締結部材の接着によって外部圧力が均一に印加されることができないという問題があり、それにより、燃料電池スタックの体積が大きくなり、出力低下および破損が発生しうるという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明者は、上述した従来の燃料電池スタックが有する問題を解消するために、シール温度においてアライメントピンとシール材が接触および接着するのを防止できる燃料電池スタックを開発するに至った。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述した問題を解決するために導き出されたものであり、本発明の目的は、アライメントピンの外側に防止ダムが形成されることによって、シール温度において燃料電池スタックに圧力を加える時、シール材とアライメントピンの接触および接着を防止する燃料電池スタックを提供することにある。
【００１１】
また、本発明の目的は、シール材とアライメントピンが接着しないことによって、燃料電池スタックの外部から加えられる圧力が燃料電池スタックの面に沿って均一に印加される燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一実施形態による燃料電池スタックは、上部エンドプレート、下部エンドプレート、前記上部および下部エンドプレートの間に一つ以上の単位電池が積層されて位置する積層構造体、前記上部エンドプレート、前記下部エンドプレートおよび前記積層構造体を連結するアライメントピン（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  ｐｉｎ）、および前記アライメントピンの外部を囲んで前記積層構造体のシール材と前記アライメントピンの接触を防止する防止ダムを含むことを特徴とする。
【００１３】
一実施形態において、前記単位電池は、単位セル、前記単位セルの側面に位置するウィンドウフレーム、前記ウィンドウフレームの上部および前記単位セルの下部に位置するインターコネクタ、前記単位セル、前記ウィンドウフレームおよび前記インターコネクタの間に位置して接着させるシール材、および前記ウィンドウフレームの上部に位置して前記シール材に荷重を伝達するスペーサを含み、前記防止ダムの高さは、前記スペーサの高さと同一であることを特徴とする。
【００１４】
一実施形態において、前記燃料電池スタックは、前記上部エンドプレート、前記下部エンドプレートおよび前記積層構造体のコーナーに一つ以上のホールが形成され、前記防止ダムの断面積は、前記ホールの断面積より広いことを特徴とする。
【００１５】
一実施形態において、前記防止ダムは、マイカあるいは絶縁セラミックからなることを特徴とする。
【００１６】
一実施形態において、前記防止ダムは、金属素材からなることを特徴とする。
【００１７】
一実施形態において、前記防止ダムは、中空の柱状で提供されることを特徴とする。
【００１８】
一実施形態において、前記防止ダムは、断面および平面が円形、楕円形、頂点が曲率を有するように処理された曲率角形、三角形、四角形、五角形、および六角形からなる群より選択されたいずれか一つの形状に形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、アライメントピンの外側に中空の柱状の防止ダムを一つ以上積層することによって、シール温度において流動性を有するシール材とアライメントピンの接触および接着を防止するという効果がある。
【００２０】
また、本発明によれば、シール材とアライメントピンが接触および接着しないことによって、シール温度において燃料電池スタックを圧縮して接着する時、燃料電池スタックに圧力が均一に印加されて燃料電池スタック構成の気密性が増加、燃料電池の出力低下および破損を防止するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池スタックを示す斜視図である。
【図２】図１に示されたＡ−Ａ'線に沿って切断してその一部を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態によるウィンドウフレームおよび防止ダムを示す平面図であって、図３（ａ）はウィンドウフレームのホールの上部に防止ダムが積層された状態の平面図であり、図３（ｂ）はウィンドウフレームと防止ダムが分離した状態の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明を添付された図面を参照して詳細に説明すれば以下のとおりである。ここで、繰り返される説明、本発明の要旨を不要に濁す恐れのある公知機能および構成に関する詳細な説明は省略する。本発明の実施形態は、当業界における平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。よって、図面での要素の形状および大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。
【００２３】
明細書の全体にわたって、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反する記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいことを意味する。
【００２４】
以下、本発明の理解を助けるために好ましい実施形態を提示する。但し、下記の実施形態は本発明をより容易に理解するために提供されるものであって、本実施形態によって本発明の内容が限定されるものではない。
【００２５】
＜燃料電池スタック＞
図１は本発明の一実施形態による燃料電池スタックを示す斜視図であり、図２は図１に示されたＡ−Ａ'線に沿って切断してその一部を示す断面図であり、図３は本発明の一実施形態によるウィンドウフレームおよび防止ダムを示す平面図であって、図３（ａ）はウィンドウフレームのホールの上部に防止ダムが積層された状態の平面図であり、図３（ｂ）はウィンドウフレームと防止ダムが分離した状態の平面図である。
【００２６】
本発明に係る燃料電池スタックは、上部エンドプレート１０、下部エンドプレート２０、積層構造体３０、アライメントピン４０および防止ダム５０を含むことができる。
【００２７】
上部および下部エンドプレート１０、２０は、後述する積層構造体３０の上部および下部に各々位置して、積層構造体３０に均一な圧力が印加されるようにすることができる。
【００２８】
下部エンドプレート２０は、積層構造体３０に燃料および空気を供給する燃料流入口および空気流入口と、積層構造体３０と反応していない廃燃料および廃空気を排出する燃料排出口および空気排出口が形成されることができる。または、上部エンドプレート１０に燃料流入口および空気流入口が形成され、下部エンドプレート２０に燃料排出口および空気排出口が形成されることができる。
【００２９】
そして、上部および下部エンドプレート２０、３０は、後述するアライメントピン４０が載置するホールが形成され、ホールは上部および下部エンドプレート１０、２０のエッジあるいはコーナーに一つ以上形成されることができる。
【００３０】
さらに、上部および下部エンドプレート１０、２０は、既存の公知技術を用いるため、それに関する詳細な説明は省略する。
【００３１】
積層構造体３０は、上部および下部エンドプレート１０、２０の間に位置することができ、一つ以上の単位電池（図示せず）で提供されることができる。
【００３２】
ここで、単位電池は、単位セル３１、ウィンドウフレーム３２、空気極インターコネクタ３３、燃料極インターコネクタ３４、シール材３５およびスペーサ３６を含むことができる。
【００３３】
先ず、単位セル３１は、燃料電池スタックに電気を発生させる役割をし、酸素イオン伝導性を有する電解質とその両面の燃料極と空気極とから構成される。燃料極に燃料を供給すれば、燃料が酸化されて電子が外部回路を通して放出され、空気極に酸素を供給すれば、外部回路から電子を受けて酸素イオンに還元される。還元された酸素イオンは、電解質を通して燃料極に移動して酸化された燃料と反応して水を生成する。この時、燃料極から空気極への電子流れで直流電気を生産するようになる。
【００３４】
ウィンドウフレーム３２は、空気極および燃料極インターコネクタ３３、３４を通して流入される酸素と水素が単位セル３１に流入されるのを防止し、燃料電池スタックの作動中に酸素と水素が互いに混ざらないようにする役割をする。また、空気極および燃料極インターコネクタ３３、３４を通して流入される酸素と水素が燃料電池スタックの内部で流動できるように流路が形成されることができる。
【００３５】
インターコネクタ３３、３４は、空気が供給される空気極インターコネクタ３３と、燃料が供給される燃料極インターコネクタ３４に分けることができる。そして、本発明に係る単位セル３１が２個以上積層されて形成される積層構造体３０において、インターコネクタ３３、３４は、積層された２個以上の単位セル３１を電気的に連結する役割をすると同時に、燃料極と空気極に供給される２種類のガスが混ざらずに単位セル３１に均一に供給されるように流路が形成されることができる。
【００３６】
空気極インターコネクタ３３および燃料極インターコネクタ３４に形成された流路は、凹凸構造として、空気極および燃料極インターコネクタ３３、３４の上面および下面のいずれか一つに形成されることができる。また、空気極インターコネクタ３３に形成された流路と燃料極インターコネクタ３４に形成された流路とは、垂直した方向に形成されて互いに連通しないことに留意する。
【００３７】
例えば、空気流路が垂直方向に形成される場合、空気極インターコネクタ３３を通して供給された酸素は空気極の垂直方向に移動することができ、燃料流路が水平方向に形成される場合、燃料極インターコネクタ３４を通して供給された水素は燃料極の水平方向に移動することができる。
【００３８】
単位セル３１が一つ以上積層されることによって形成される燃料電池スタックにおいて、単位セル３１と単位セル３１との間に位置するインターコネクタ３３、３４はセパレータの役割をする。
【００３９】
シール材３５は、ウィンドウフレーム３２の上部および下部のいずれか一つ以上に位置することができる。より詳しくは、ウィンドウフレーム３２のエッジとインターコネクタ３３、３４との間、およびウィンドウフレーム３２の内側下部と電解質との間に位置することができる。よって、シール材３５は、単位セル３１とウィンドウフレーム３２を接合させる役割をすることができ、単位セル３１に与えられる衝撃を緩和する緩衝剤としての役割も同時にすることができる。シール材３５は、ガラスおよび結晶化ガラスのいずれか一つから形成されることができ、高温で流動性を有する性質を持っている。また、シール材３５は、ウィンドウフレーム３２のようにフレームの形態で提供されてもよく、ウィンドウフレーム３２のエッジに位置してもよい。
【００４０】
スペーサ３６は、ウィンドウフレーム３２の内側に形成された流路の上部に位置して、燃料電池スタックに加えられる外部圧力を単位セル３１およびウィンドウフレーム３２に伝達する役割をする。そして、ウィンドウフレーム３２とインターコネクタ３３、３４との間に位置するシール材３５の高さを調節することができる。より詳しくは、スペーサ３６はウィンドウフレーム３２の外側とインターコネクタ３３、３４との間に位置するシール材３５と対応する位置に提供され、スペーサ３６の高さは高温で熱処理後にシール材３５の高さと同一であるかまたはさらに低く形成されることができる。
【００４１】
そして、本発明に係る単位電池は集電体をさらに含むことができるが、スペーサおよび集電体は既存の公知技術を用いるため、それに関する詳細な説明は省略する。
【００４２】
アライメントピン４０は、上部および下部エンドプレート１０、２０と積層構造体３０を整列する役割をする。より詳しくは、上部および下部エンドプレート１０、２０と積層構造体３０のエッジあるいはコーナーに一つ以上のホールが提供され、ホールにアライメントピン４０が挿入されて上部および下部エンドプレート１０、２０と積層構造体３０を整列および上下左右に動かないように固定することができる。
【００４３】
アライメントピン４０は柱状で提供されることができ、その断面および平面は円形、楕円形、頂点が曲率を有するように処理された曲率角形、三角形、四角形、五角形、および六角形からなる群より選択されたいずれか一つの形状で提供されることができる。そして、アライメントピン４０の高さは、上部および下部エンドプレート１０、２０と積層構造体３０が積層された積層高さと同一であるかまたは高くてもよい。
【００４４】
また、アライメントピン４０の上部および下部の各々にナット４１がさらに提供されることができる。ナット４１は、アライメントピン４０が上下に移動するのを防止する役割をする。アライメントピン４０とナット４１とはねじ山結合あるいは嵌合することができる。
【００４５】
防止ダム５０は、アライメントピン４０の外側に位置し、シール温度においてシール材３５とアライメントピン４０が接触および接着するのを防止する役割をする。
【００４６】
防止ダム５０は、アライメントピン４０の高さ方向に沿って離隔して積層されることができる。この時、防止ダム５０は、積層構造体３０中のスペーサ３６と対応する位置に形成されることができ、防止ダム５０の高さはスペーサ３６と同一な高さに形成されることができる。
【００４７】
防止ダム５０の高さがスペーサ３６より高く形成される場合には、シール温度において燃料電池スタックを圧縮する時、防止ダム５０がスペーサ３６の役割をするようになる。すなわち、シール材３５は防止ダム５０の高さ以下に圧縮されないためにシールがなされず、燃料電池スタックの高さが高くなるという問題が発生しうる。
【００４８】
そして、防止ダム５０の高さがスペーサ３６の高さより低く形成される場合には、シール温度において流動性を有するシール材３５が防止ダム５０の上部および下部を通してアライメントピン４０と接触および接着するという問題が発生しうる。より詳しくは、シール温度において流動性および粘性を有するようになったシール材３５がシール材３５の上部に位置したインターコネクタ３３、３４に荷重になる圧力によって圧力と垂直する方向に流動するようになることができる。圧力と垂直する方向に流動したシール材３５は、高さの低い防止ダム５０の上部および下部に流動して、防止ダム５０が提供されていないアライメントピン４０に接触および接着するようになることができる。
【００４９】
そして、防止ダム５０は、上部および下部エンドプレート１０、２０と積層構造体３０に形成された一つ以上のホールより断面積が大きく形成され、ウィンドウフレーム３２とインターコネクター３３、３４との間に位置することができる。
【００５０】
また、防止ダム５０は中空の柱状で提供されることができ、その断面および平面は円形、楕円形、頂点が曲率を有するように処理された曲率角形、三角形、四角形、五角形、および六角形からなる群より選択されたいずれか一つの形状に形成されることができる。そして、防止ダム５０の断面および平面は、アライメントピン４０の断面および平面と互いに同一であるかまたは異なる形状に形成されることができる。例えば、アライメントピン４０が円柱状に形成されれば、防止ダム５０は中空の円柱状で提供されることができる。または、アライメントピン４０が四角柱状に形成されれば、防止ダム５０は中空の円柱状で提供されることができる。すなわち、防止ダム５０はアライメントピン４０を収容できれば、その形態は特に制限されない。
【００５１】
本発明に係る燃料電池スタックは、単位セル３１とウィンドウフレーム３２が接触せず、インターコネクタ３３、３４の間が単位セル３１の電解質によって絶縁されるため、ウィンドウフレーム３２、スペーサ３６および空気極インターコネクタ３３が電気的に連結されても関係ない。すなわち、燃料電池スタックは、インターコネクタ３３、３４の間が絶縁されれば、通電現象が発生しない。したがって、本発明に係る防止ダム５０は、絶縁および非絶縁材料をいずれも用いることができる。
【００５２】
一実施形態において、防止ダム５０は、金属素材からなるインターコネクター３３、３４とウィンドウフレーム３２との間に位置することによって、絶縁材料からなることが好ましい。したがって、防止ダム５０は、マイカおよび絶縁セラミックのいずれか一つからなるか、または防止ダム５０が金属素材からなる場合、防止ダム５０の上部および下部を絶縁コーティングすることに留意する。
【００５３】
以上では本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、当該技術分野の熟練した当業者であれば、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正および変更できることを理解することができるであろう。
【図１】
0006927468.tif 000002
【図２】
0006927468.tif 000003
【図３（ａ）】
0006927468.tif 000004
【図３（ｂ）】
0006927468.tif 000005