KR100953932B1 - 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법 - Google Patents

내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법 Download PDF

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윤부호
안영근
안상준
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Abstract

본 발명은 내부개질형 용융탄산염 연료전지의 스택(stack)을 이루는 다수개의 막-전극 접합체(MEA:Membrane-Electrode Assembly)를 구획하기 위하여 막-전극 접합체 사이에 설치되는 분리판(separator) 및 그의 제조방법을 제공한다. 이와 같은 본 발명에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법은 분리판 상측 측벽을 이루어 연료가스가 외부로 유출되지 않고 유동하도록 하는 연료가스 가이드와 분리판 하측 측벽을 이루어 산화가스가 외부로 유출되지 않고 유동하도록 하는 산화가스 가이드가 'ㄱ'형 수직단면을 가진 바(bar) 형상으로 이루어져 베이스의 상부면 폭방향 양단과 하부면 길이방향 양단에 레이저용접으로 결합되는 제1측벽체, 제2측벽체, 제3측벽체, 제4측벽체에 의해 형성되는 구성이 제공됨에 따라 정해진 면적의 평판의 끝단부를 프레스가공에 의해 다수번 절곡시켜 연료가스 가이드와 산화가스 가이드를 형성시키던 종래 분리판이 제조공정상의 절곡과정에서 크랙의 발생이나 찢어져 불량이 빈번하게 발생하여 정밀한 제조기술을 요하던 것과 달리 불량률이 최소화되고, 제조가 용이하게 이루어지게 되는 특징이 있다. 한편, 연료전지용 분리판에서 연료가스 가이드와 산화가스 가이드의 높이가 일정하게 유지되도록 하는 것은 연료가스와 산화가스의 원활한 유동을 유도하기 위한중요 가공인자인데, 종래 분리판의 경우 연료가스 가이드와 산화가스 가이드가 다수번의 절곡에 의해 형성됨에 따라 가공정밀도를 높이는데 한계가 있었으나, 본 발명은 연료가스 가이드와 산화가스 가이드가 별도의 측벽체로 이루어짐에 따라 연료 가스 가이드와 산화가스 가이드를 형성시키기 위한 가공정밀도가 향상될 수 있어 분리판의 품질이 향상될 수 있게 된다.
또한, 제조공정상의 가공후 연료가스 가이드와 산화가스 가이드 전체 부위가 균일한 응력분포를 가지도록 하는 것은 연료가스와 산화가스의 유압에 의한 분리판의 변형이나 손상을 방지하고 분리판의 내구성을 증대시키기 위한 중요 가공인자인데, 종래 분리판의 경우 다수번의 절곡으로 절곡된 모서리부에 응력이 집중되는 현상이 발생되었으나, 본 발명은 연료가스 가이드와 산화가스 가이드를 이루는 별도의 측벽체가 평판의 일단부가 1회 절곡되어 'ㄱ'형 단면형상을 이루어도록 한 것임에 따라 응력집중 현상이 최소화되어 응력분포가 균일한 분리판을 제조할 수 있게 된다.
특히, 본 발명은 프레스가공이 아닌 별도의 베이스와 측벽체 간 접합공정에 의해 분리판이 제조되도록 하는 것임에 따라, 분리판의 제조 생산성이 향상되게 된다.
본 발명에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판은 베이스와 측벽을 포함한다. 베이스는 정해진 폭과 길이를 가지는 평판 형상의 판체 상부면 폭방향 양단에 상측으로 절곡되어 돌출되는 제1결합체와 제2결합체가 형성되고, 판체의 하부면 길이방향 양단에 하측으로 절곡되어 돌출되는 제3결합체와 제4결합체가 형성되는 것이다. 측벽은 평판의 일단부가 절곡된 'ㄱ'형 수직단면을 가진 정해진 길이의 바(bar) 형상으로 이루어져 베이스의 판체 상부면 폭방향 양단의 제1결합체와 제2결합체 및 베이스의 판체 하부면 길이방향 양단의 제3결합체와 제4결합체에 각 각 결합되는 것으로, 이와 같은 측벽은 베이스의 판체 상부면 폭방향 양단의 제1결합체와 제2결합체에 각각 결합되는 제1측벽체와 제2측벽체 및, 베이스의 판체 하부면 길이방향 양단의 제3결합체와 제4결합체에 각각 결합되는 제3측벽체와 제4측벽체로 이루어지는데, 베이스의 상부면에 위치되는 제1측벽체와 제2측벽체는 연료가스가 외부로 유출되지 않고 유동하게 되는 연료가스 가이드로 사용되고, 베이스의 하부면에 위치되는 제3측벽체와 제4측벽체는 산화가스가 외부로 유출되지 않고 유동하게 되는 산화가스 가이드로 사용된다.
연료전지, 분리판, 용융탄산염, 내부개질형, 레이저용접

Description

내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법{Inner reforming type separator for Molten carbonate fuel cell and manufacturing method thereof}
본 발명은 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 분리판의 연료가스 가이드와 산화가스 가이드가 평판인 베이스의 상부면과 하부면에 각각 결합되는 별도의 측벽체로 이루어져 불량률이 최소화되고 품질이 높아지게 된 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 일반적으로 천연가스/가솔린/메탄올 등의 연료로부터 추출되는 수소와, 공기를 통해 공급되는 산소의 전기화학적 반응을 통해 수소의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되도록 하는 장치이다.
이와 같은 연료전지는 수소가 공급되어 산화반응하게 되는 산화전극(anode)과 산소가 공급되어 환원반응하게 되는 환원전극(cathode) 및 상기 산화전극과 환 원전극 사이에 위치되는 전해질막으로 이루어진 연료전지 셀(cell)을 하나의 단위로 하여 복수개의 연료전지 셀이 적층되어 이루어지는 연료전지 스택(stack)을 발전장치로서 사용하게 된다.
여기서, 연료전지 스택은 연료전지 셀을 이루는 산화전극, 환원전극, 전해질막을 포함하여 일체화시킨 막-전극 접합체(MEA:Membrane-Electrode Assembly)를 구비하여 다수개의 막-전극 접합체를 적층시키되, 연료전지 셀을 구획짓기 위해 상기 막-전극 접합체 사이에 분리판(separator)을 위치시키고, 연료전지 스택의 양단부에는 엔드 플레이트(end plate)가 위치되는데, 이와 같은 엔드 플레이트가 체결구나 공기압에 의해 가압됨으로써 연료전지 스택이 일체로 체결되게 된다.
한편, 연료전지는 전해질의 종류에 따라 인산형 연료전지(PAFC), 고체 고분자형 연료전지(PEFC), 직접 메탄올 변환형 연료전지(DMFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC), 알칼리형 연료전지(AFC) 등으로 분류되는데, 현재 고온형 연료전지로서 발전사업용으로 대용량의 발전 플랜트로 활용가능한 용융탄산염 연료전지(MCFC)에 대한 기술개발이 활발하게 진행되고 있다.
이와 같은 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 이온 전도성이 높고, 전기화학적으로 안정하며 증기압이 낮은 특징을 가지고 있어 고온형 연료전지에 적합한 탄산리튬, 탄산칼륨, 탄산나트륨 등의 용융 알칼리 금속 탄산염을 전해질로 사용하고, 산화니켈계의 다공질 전극으로 된 환원전극(cathode)과, 니켈계 다공질 전극으로 된 산화전극(anode)가 스테인레스제 분리판(seperator)로 유지되는 구성이 일반적이다.
여기서, 용융탄산염 연료전지는 개질반응 프로세스가 외부에서 이루어지는 외부개질형 용융탄산염 연료전지와 개질반응 프로세스가 내부에서 이루어지는 내부개질형 용융탄선염 연료전지로 구분되는데, 개질반응과 발전반응이 내부에서 동시에 진행되어 발전효율이 높고, 구조가 단순해지는 내부개질형 용융탄산염 연료전지에 대한 관심이 높은 편이다.
한편, 상기와 같은 용융탄산염 연료전지를 포함하여 연료전지에 사용되는 분리판은 일반적으로 분리판 상측 측벽을 이루어 연료가스가 외부로 유출되지 않고 유동하도록 하는 연료가스 가이드와 분리판 하측 측벽을 이루어 산화가스가 외부로 유출되지 않고 유동하도록 하는 산화가스 가이드가 형성되는 구성으로 이루어지는데, 이와 같은 연료전지용 분리판과 관련된 기술로는 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0731329호 "연료개질실을 포함하는 용융탄산염 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법", 등록번호 제10-0731330호 "용융탄산염 연료전지의 분리판 및 그의 제조방법", 공개특허공보 공개번호 제10-2008-0051887호 "연료전지용 금속분리판의 제조방법" 등이 안출되어 있다.
상기 "연료개질실을 포함하는 용융탄산염 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법"은 (1) 제1금속판의 양측단부를 제1금속판의 중심부로 향하도록 2회 절곡시켜 서로 대향되는 한 쌍의 연료가스가이드를 포함하는 애노드부를 성형시키는 애노드부성형단계; (2) 제2금속판의 양측단부를 제2금속판의 중심부로 향하도록 2회 절곡시켜 서로 대향되는 한 쌍의 산화가스가이드를 포함하는 캐소드부를 성형시키는 캐 소드부성형단계; (3) 제3금속판의 표면에 연료가스의 개질을 위한 개질촉매를 코팅시키고, 3회 절곡시켜 서로 대향되는 양측면들이 개방된 육면체의 형상으로 이루어지도록 절첩시키고, 상기 제3금속판의 양 단부가 어느 하나의 모서리 부분에서 접촉되어 형성되는 모서리접촉부를 포함하여 이루어지도록 하여 연료개질실을 형성시키고, 이 연료개질실의 모서리접촉부와 이 모서리접촉부에 인접하게 위치되는 상기 애노드부 또는 캐소드부의 모서리를 함께 용접하여 고정시키는 연료개질실성형단계; 및 (4) 상기 애노드부 또는 캐소드부 중 상기 연료개질실에 고정되지 않은 캐소드부 또는 애노드부를 적층시키되, 상기 연료가스가이드들과 상기 산화가스가이드들이 서로 직교하는 가스흐름을 갖도록 하여 적층시키는 적층단계; 들을 포함하는 제조방법을 제공하고 있고,
상기 "용융탄산염 연료전지의 분리판 및 그의 제조방법"은 (1) 중심판을 하나의 중심부와 이를 중심으로 사방으로 위치하는 4개의 주변부들이 형성되도록 재단하는 준비단계; (2) 상기 중심판의 중심부에 안내돌기와 안내홈들을 형성시키는 채널형성단계; (3) 상기 채널이 형성된 중심부를 니켈코팅시키고, 주변부들을 내식코팅시키는 코팅단계; 및 (4) 상기 주변부들을 절곡시켜 측벽부들을 형성시키는 성형단계;들을 포함하는 제조방법을 제공하고 있으며,
상기 "연료전지용 금속분리판의 제조방법"은 두개의 평판을 요철형태로 성형하는 제1단계와; 상기 평판에 컴파운더를 도포하는 제2단계와; 상기 평판이 대칭되도록 맞대어 매칭시키는 제3단계와; 상기 평판의 양단부를 롤러에 의해 시밍하는 제4단계;를 포함하는 제조방법을 제공하고 있다.
그러나, 상기와 같은 종래 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법은 도 1의 (a)와 (b)에서와 같이 정해진 면적의 평판(10)의 끝단부를 프레스가공에 의해 다수번 절곡시켜 'ㄷ' 형상의 연료가스 가이드(12)와 산화가스 가이드(14)를 형성시키는 것이어서, 분리판(100)의 제조공정상 절곡과정에서 크랙의 발생이나 찢어져 불량이 빈번하게 발생하는 문제점이 있었으며, 이를 해결하기 위해서는 정밀한 제조기술을 요하는 문제점이 있었다.
한편, 연료전지용 분리판에서 연료가스 가이드와 산화가스 가이드의 높이가 일정하게 유지되도록 하는 것은 연료가스와 산화가스의 원활한 유동을 유도하기 위한중요 가공인자인데, 상기와 같은 종래의 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법의 경우 연료가스 가이드와 산화가스 가이드가 다수번의 절곡에 의해 형성됨에 따라 가공정밀도를 높이는데 한계가 있었다.
또한, 제조공정상의 가공후 연료가스 가이드와 산화가스 가이드 전체 부위가 균일한 응력분포를 가지도록 하는 것도 연료가스와 산화가스의 유압에 의한 분리판의 변형이나 손상을 방지하고 분리판의 내구성을 증대시키기 위한 중요 가공인자인데, 상기와 같은 종래의 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법의 경우 다수번의 절곡으로 절곡된 모서리부에 응력이 집중되는 현상이 발생되었다.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하여, 연료가스 가이드와 산화가스 가이드가 'ㄱ'형 수직단면을 가진 바(bar) 형상으로 이루어져 베이스의 상부면 폭방향 양단과 베이스의 하부면 길이방향 양단에 레이저용접으로 결합되는 별도의 측벽체로 이루어짐에 따라 불량률이 최소화되고, 제조가 용이하게 이루어질 수 있는 새로운 형태의 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 연료가스 가이드와 산화가스 가이드가 상기와 같이 별도의 측벽체로 이루어짐에 따라 연료가스 가이드와 산화가스 가이드를 형성시키기 위한 가공정밀도가 향상될 수 있어 분리판의 품질이 향상되는 새로운 형태의 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 상기와 같이 연료가스 가이드와 산화가스 가이드를 이루는 별도의 측벽체가 평판의 일단부가 1회 절곡되어 'ㄱ'형 단면형상을 이루어도록 함에 따라 응력집중 현상이 최소화되어 응력분포가 균일한 분리판을 제조할 수 있는 새로운 형태의 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명은 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판에 있어서, 정해진 폭과 길이를 가지는 평판 형상의 판체 상부면 폭방향 양단에 상측으로 절곡되어 돌출되는 제1결합체와 제2결합체가 형성되고, 상기 판체의 하부면 길이방향 양단에 하측으로 절곡되어 돌출되는 제3결합체와 제4결합체가 형성되는 베이스와; 평판의 일단부가 절곡된 'ㄱ'형 수직단면을 가진 정해진 길이의 바(bar) 형상으로 이루어져 상기 베이스의 상부면 폭방향 양단의 제1결합체와 제2결합체 및 하부면 길이방향 양단의 제3결합체와 제4결합체에 각각 결합되는 측벽을 포함하되, 상기 측벽은 상기 베이스의 판체 상부면 폭방향 양단의 제1결합체와 제2결합체에 각각 결합되는 제1측벽체와 제2측벽체 및, 상기 베이스의 판체 하부면 길이방향 양단의 제3결합체와 제4결합체에 각각 결합되는 제3측벽체와 제4측벽체로 이루어져 상기 베이스의 판체 상부면에 위치되는 상기 제1측벽체와 제2측벽체는 연료가스가 외부로 유출되지 않고 유동하게 되는 연료가스 가이드로 사용되도록 하고, 상기 베이스의 판체 하부면에 위치되는 상기 제3측벽체와 제4측벽체는 산화가스가 외부로 유출되지 않고 유동하게 되는 산화가스 가이드로 사용되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판에서 상기 측벽을 이루는 제1측벽체, 제2측벽체, 제3측벽체, 제4측벽체는 상기 베이스의 제1결합체, 제2결합체, 제3결합체, 제4결합체에 각각 레이저용접으로 결합되는 것 을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판에서 상기 측벽을 이루는 제1측벽체, 제2측벽체, 제3측벽체, 제4측벽체와 상기 베이스의 제1결합체, 제2결합체, 제3결합체, 제4결합체는 서로 접촉하게 되는 면의 길이방향으로 1~3개의 용접라인을 따라 레이저용접되는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 의하면, 본 발명은 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판의 제조방법에 있어서, 정해진 폭과 길이를 가지는 평판 형상의 판체 상부면 폭방향 양단에 상측으로 절곡되어 돌출되는 제1결합체와 제2결합체가 형성되고 상기 판체의 하부면 길이방향 양단에 하측으로 절곡되어 돌출되는 제3결합체와 제4결합체가 형성되는 베이스, 평판의 일단부가 절곡된 'ㄱ'형 수직단면을 가지고 상기 베이스의 길이와 동일한 길이의 바(bar) 형상으로 이루어지는 제1측벽체과 제2측벽체, 평판의 일단부가 절곡된 'ㄱ'형 수직단면을 가지고 상기 베이스의 폭과 동일한 길이의 바(bar) 형상으로 이루어지는 제3측벽체와 제4측벽체를 구비하는 단계와; 상기 베이스의 판체 상부면 폭방향 양단의 제1결합체와 제2결합체에 상기 제1측벽체와 제2측벽체가 각각 맞물리도록 하여 상기 베이스의 제1결합체와 제1측벽체 및 상기 베이스의 제2결합체와 제2측벽체가 서로 결합되도록 하고, 상기 베이스의 판체 하부면 길이방향 양단의 제3결합체와 제4결합체에 상기 제3측벽체와 제4측벽체가 각각 맞물리도록 하여 상기 베이스의 제3결합체 와 제3측벽체 및 상기 베이스의 제4결합체와 제4측벽체가 서로 결합되도록 하는 단계를 포함하여, 상기 베이스의 판체 상부면에 위치되는 상기 제1측벽체와 제2측벽체는 연료가스가 외부로 유출되지 않고 유동하게 되는 연료가스 가이드를 형성하고, 상기 베이스의 판체 하부면에 위치되는 상기 제3측벽체와 제4측벽체는 산화가스가 외부로 유출되지 않고 유동하게 되는 산화가스 가이드를 형성하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판의 제조방법에서 상기 제1측벽체, 제2측벽체, 제3측벽체, 제4측벽체와 상기 베이스의 제1결합체, 제2결합체, 제3결합체, 제4결합체는 서로 접촉하게 되는 면의 길이방향으로 1~3개의 용접라인을 따라 레이저용접되어 서로 결합되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판의 제조방법에서 상기 제1측벽체, 제2측벽체, 제3측벽체, 제4측벽체 각각의 내면이 상기 베이스의 제1결합체, 제2결합체, 제3결합체, 제4결합체 각각의 외면과 접촉하면서 서로 결합되도록 하여 상기 연료가스 가이드와 산화가스 가이드 내측으로는 단이 형성되지 않도록 하여 연료가스와 산화가스의 유동저항이 최소화되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법에 의하면, 분리판의 연료가스 가이드와 산화가스 가이드가 평판인 베이스의 상부면과 하부면에 각각 결합되는 별도의 측벽체로 이루어지도록 함에 따라, 불량률이 최소화되고, 제조가 용이하게 이루어질 뿐만 아니라, 분리판의 가공정밀도가 향상되고 응력집중 현상이 최소화되는 제조방법이 제공되어 분리판의 품질도 높아지게 되는 효과도 가지게 된다.
특히, 본 발명은 프레스가공이 아닌 별도의 베이스와 측벽체 간 접합공정에 의해 분리판이 제조되도록 하는 것임에 따라, 높은 품질의 분리판을 대량으로 생산할 수 있게 되어 생산성이 향상되는 효과도 동시에 가지게 된다.
본 발명에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판(100)은 내부개질형 용융탄산염 연료전지의 스택(stack)을 이루는 다수개의 막-전극 접합체(MEA:Membrane-Electrode Assembly)를 구획하기 위하여 막-전극 접합체 사이에 설치되는 것으로, 이와 같은 본 발명에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판(100) 및 그의 제조방법은 분리판(100) 상측 측벽(40)을 이루어 연료가스가 외부로 유출되지 않고 유동하도록 하는 연료가스 가이드(12)와 분리판(100) 하측 측벽(40)을 이루어 산화가스가 외부로 유출되지 않고 유동하도록 하는 산화가스 가이드(14)가 'ㄱ'형 수직단면을 가진 바(bar) 형상으로 이루어져 베이스(20)에 레이저 용접으로 결합되는 제1측벽체(42), 제2측벽체(44), 제3측벽체(46), 제4측벽체(48)에 의해 형성되는 것을 기술적 특징으로 한다. 이에 따라, 정해진 면적의 평판의 끝단부를 프레스가공에 의해 다수번 절곡시켜 연료가스 가이드와 산화가스 가이드를 형성시키던 종래 분리판이 제조공정상의 절곡과정에서 크랙의 발생이나 찢어져 불량이 빈번하게 발생하여 정밀한 제조기술을 요하던 것과 달리 불량률이 최소화되고, 제조가 용이하게 이루어지게 된다.
또한, 본 발명에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판(100) 및 그의 제조방법은 상기와 같이 연료가스 가이드(12)와 산화가스 가이드(14)가 별도의 측벽체(42)(44)(46)(48)로 이루어짐에 따라 연료가스 가이드(12)와 산화가스 가이드(14)를 형성시키기 위한 가공정밀도가 향상될 수 있어 분리판(100)의 품질이 향상된다. 특히, 연료전지용 분리판(100)에서 연료가스 가이드(12)와 산화가스 가이드(14)의 높이가 일정하게 유지되도록 하는 것은 연료가스와 산화가스의 원활한 유동을 유도하기 위한 중요 가공인자인데, 본 발명은 연료가스 가이드(12)와 산화가스 가이드(14)가 다수번의 절곡에 의해 형성됨에 따라 가공정밀도를 높이는데 한계가 있는 종래의 분리판과 달리 평판의 일단부가 1회 절곡되어 'ㄱ'형 단면형상을 이루는 별도의 측벽체(42)(44)(46)(48)에 의해 연료가스 가이드(12)와 산화가스 가이드(14)가 형성되는 구성임에 따라 높이가 일정하게 유지된 연료가스 가이드(12)와 산화가스 가이드(14)를 형성시킬 수 있게 되는 것이다.
더불어, 제조공정상의 가공후 연료가스 가이드(12)와 산화가스 가이드(14) 전체 부위가 균일한 응력분포를 가지도록 하는 것은 연료가스와 산화가스의 유압에 의한 분리판(100)의 변형이나 손상을 방지하고 분리판(100)의 내구성을 증대시키기 위한 중요 가공인자인데, 본 발명은 다수번의 절곡으로 절곡된 모서리부에 응력이 집중되는 현상이 발생되는 종래의 분리판과 달리 연료가스 가이드(12)와 산화가스 가이드(14)를 이루는 별도의 측벽체(42)(44)(46)(48)가 평판의 일단부가 1회 절곡되어 'ㄷ'형 단면형상을 이루어도록 한 것임에 따라 응력집중 현상이 최소화되어 응력분포가 균일한 분리판을 제조할 수 있게 되는 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 2 내지 도 5에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 도면과 상세한 설명에서 일반적인 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법으로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다. 특히 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판의 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판의 결합 사시도이고, 도 4의 (a)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판의 정면도이며, 도 4의 (b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판의 측면도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판의 제조과정에서 베이스와 측벽체가 서로 레이저용접에 의해 결합되는 것을 보여주기 위한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판(100)은 도 2와 도 4에서와 같이 베이스(20)와 측벽(40)을 포함하는 구성으로 이루어진다.
베이스(20)는 도 2에서와 같이 정해진 폭과 길이를 가지는 직사각형의 평판 형상으로 이루어진 판체(22)와, 판체(22)의 상부면 폭방향 양단에 상측으로 절곡되어 돌출형성되는 제1결합체(24a)와 제2결합체(24b), 판체(22)의 하부면 길이방향 양단에 하측으로 절곡되어 돌출형성되는 제3결합체(24c)와 제4결합체(24d)로 이루어진다. 여기서, 제1결합체(24a), 제2결합체(24b), 제3결합체(24c), 제4결합체(24d)는 판체(22)에 수직으로 배치되도록 하고 일정한 높이를 가지도록 하는 것이 바람직하다.
이와 같은 베이스(20)는 분리판(100)의 중앙에 수평하게 위치하여 상하측으로 측벽(40)을 형성시키게 된다. 이와 같은 베이스(20)은 통상적으로 0.3mm의 두께를 가지는 스테인레스강이 사용된다.
여기서, 베이스(20)는 정해진 크기의 평판을 구비한 후, 평판의 폭방향 양단과 길이방향 양단을 정해진 방향으로 절곡시켜 상기한 제1결합체(24a), 제2결합 체(24b), 제3결합체(24c), 제4결합체(24d)가 형성되도록 한다.
측벽(40)은 베이스(20)의 판체(22) 상부면 폭방향 양단 및 베이스(20)의 판체(22) 하부면 길이방향 양단에 각각 결합되는 것으로, 이와 같은 측벽(40)은 평판의 일단부가 절곡된 'ㄱ'형 수직단면을 가진 정해진 길이의 바(bar) 형상으로 이루어진 제1측벽체(42), 제2측벽체(44), 제3측벽체(46), 제4측벽체(48)로 구성된다.
여기서, 제1측벽체(42)와 제2측벽체(44)는 베이스(20)의 판체(22) 상부면 폭방향 양단의 제1결합체(24a)와 제2결합체(24b)에 각각 결합되는 것이고, 제3측벽체(46)와 제4측벽체(48)는 베이스(20)의 판체(22) 하부면 길이방향 양단의 제3결합체(24c)와 제4결합체(24d)에 각각 결합되는 것이다. 이를 위하여 제1측벽체(42)와 제2측벽체(44)는 베이스(20)의 길이와 동일한 길이 및 제1결합체(24a)와 제2결합체(24b)의 높이와 동일한 높이를 가지도록 하고, 제3측벽체(46)과 제2측벽체(44)는 베이스(20)의 폭과 동일한 길이 및 제3결합체(24c)와 제4결합체(24d)의 높이와 동일한 높이를 가지도록 한다.
이와 같은 베이스(20)의 상부면에 위치되는 제1측벽체(42)와 제2측벽체(44)는 연료가스가 외부로 유출되지 않고 유동하게 되는 연료가스 가이드(12)로 사용되고, 베이스(20)의 하부면에 위치되는 제3측벽체(46)와 제4측벽체(48)는 산화가스가 외부로 유출되지 않고 유동하게 되는 산화가스 가이드(14)로 사용된다.
여기서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1측벽체(42), 제2측벽체(44), 제3측벽체(46), 제4측벽체(48)는 베이스(20)의 판체(22) 상부면 폭방향 양단의 제1 결합체(24a)와 제2결합체(24b) 및 베이스(20)의 판체(22) 하부면 길이방향 양단의 제3결합체(24c)와 제4결합체(24d)에 각각 레이저용접으로 결합되는데, 도 5에서와 같이 측벽체(42)(44)(46)(48)와 베이스(20)의 결합체(24a)(24b)(26a)(26b)가 서로 접촉하게 되는 면 상에서 2개의 용접라인(A)을 따라 레이저용접됨으로써 측벽체(42)(44)(46)(48)와 베이스(20)의 결합체(24a)(24b)(26a)(26b)가 미세 틈새의 발생없이 접합되는데, 이로써 분리판(100)을 이루는 연료가스 가이드(12)와 산화가스 가이드(14)를 사이에 두고, 분리판(100)의 내부는 분리판(100)의 외부로부터 밀봉되어 연료가스나 산화가스의 유출이 방지된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판(100)은 다음의 단계를 거쳐 제조된다.
먼저, 상기와 같이 구성되는 베이스(20)와, 평판의 일단부가 절곡된 'ㄱ'형 수직단면을 가지고 베이스(20)의 길이와 동일한 길이의 바(bar) 형상으로 이루어지는 제1측벽체(42)과 제2측벽체(44), 평판의 일단부가 절곡된 'ㄱ'형 수직단면을 가지고 베이스(20)의 폭과 동일한 길이의 바(bar) 형상으로 이루어지는 제3측벽체(46)와 제4측벽체(48)를 구비하게 된다.
다음으로, 베이스(20)의 판체(22) 상부면 폭방향 양단의 제1결합체(24a)와 제2결합체(24b)에 각각 제1측벽체(42)와 제2측벽체(44)가 맞물리도록 하여 베이스(20)의 제1결합체(24a)와 제1측벽체(42) 및 베이스(20)의 제2결합체(24b)와 제2측벽체(44)가 서로 레이저용접에 의해 결합되도록 하고, 이와 더불어 베이스(20)의 하부면 길이방향 양단의 제3결합체(24c)와 제4결합체(24d)에 각각 제3측벽체(46)와 제3측벽체(46)가 서로 맞물리도록 하여 베이스(20)의 제3결합체(24c)와 제3측벽체(46) 및 베이스(20)의 제4결합체(24d)와 제4측벽체(48)가 서로 레이저용접에 의해 결합되도록 한다.
여기서, 측벽체(42)(44)(46)(48)와 결합체(24a)(24b)(26a)(26b)는 서로 접촉하게 되는 면 상에서 1~3개의 용접라인(A)을 따라 레이저용접되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판(100)의 제조방법에서는 도 4의 (a)와 (b)에서와 같이 제1측벽체(42), 제2측벽체(44), 제3측벽체(46), 제4측벽체(48) 각각의 내면이 베이스(20)의 제1결합체(24a), 제2결합체(24b), 제3결합체(26a), 제4결합체(26b) 각각의 외면과 접촉하면서 서로 결합되도록 하는데, 이는 연료가스 가이드(12)와 산화가스 가이드(14) 내측으로는 단이 형성되지 않도록 하여 연료가스와 산화가스의 유동저항이 최소화되도록 하기 위함이다.
상기와 같이 본 발명에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판(100) 및 그의 제조방법은 연료가스 가이드(12)와 산화가스 가이드(14)가 'ㄱ'형 수직단면을 가진 바(bar) 형상으로 이루어져 베이스(20)에 레이저용접으로 결합되는 별도의 측벽체(42)(44)(46)(48)로 이루어짐에 따라 분리판(100)의 제조가 용이하게 이루어질 수 있게 되어 불량률이 최소화되고, 생산성이 향상되게 된다.
이와 더불어, 본 발명은 상기와 같이 연료가스 가이드(12)와 산화가스 가이드(14)를 이루는 별도의 측벽체(42)(44)(46)(48)가 평판의 일단부가 1회 절곡되어 'ㄱ'형 단면형상을 이루어도록 함에 따라 연료가스 가이드(12)와 산화가스 가이드(14)의 높이가 일정하게 유지될 수 있도록 측벽체(42)(44)(46)(48)를 가공할 수 있게 되어 가공정밀도가 향상되며, 1회의 절곡 공정만 수행됨에 따라 측벽체(42)(44)(46)(48)의 모서리부에 대한 응력집중 현상이 최소화되어 분리판(100)의 내구성이 향상되게 되는 것이다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 실시예에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1의 (a)와 (b)는 종래 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법을 보여주기 위한 도면;
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판의 분해 사시도;
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판의 결합 사시도;
도 4의 (a)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판의 정면도;
도 4의 (b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판의 측면도;
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판의 제조과정에서 베이스와 측벽체가 서로 레이저용접에 의해 결합되는 것을 보여주기 위한 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 평판 12 : 연료가스 가이드
14 : 산화가스 가이드 20 : 베이스
22 : 판체 24a : 제1결합체
24b : 제2결합체 24c : 제3결합체
24d : 제4결합체 40 : 측벽
42 : 제1측벽체 44 : 제2측벽체
46 : 제3측벽체 48 : 제4측벽체
100, 100' : 분리판
A : 용접라인

Claims (6)

  1. 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판에 있어서,
    정해진 폭과 길이를 가지는 평판 형상의 판체 상부면 폭방향 양단에 상측으로 절곡되어 돌출되는 제1결합체와 제2결합체가 형성되고, 상기 판체의 하부면 길이방향 양단에 하측으로 절곡되어 돌출되는 제3결합체와 제4결합체가 형성되는 베이스와;
    평판의 일단부가 절곡된 'ㄱ'형 수직단면을 가진 정해진 길이의 바(bar) 형상으로 이루어져 상기 베이스의 상부면 폭방향 양단의 제1결합체와 제2결합체 및 하부면 길이방향 양단의 제3결합체와 제4결합체에 각각 결합되는 측벽을 포함하되,
    상기 측벽은 상기 베이스의 판체 상부면 폭방향 양단의 제1결합체와 제2결합체에 각각 결합되는 제1측벽체와 제2측벽체 및, 상기 베이스의 판체 하부면 길이방향 양단의 제3결합체와 제4결합체에 각각 결합되는 제3측벽체와 제4측벽체로 이루어져 상기 베이스의 판체 상부면에 위치되는 상기 제1측벽체와 제2측벽체는 연료가스가 외부로 유출되지 않고 유동하게 되는 연료가스 가이드로 사용되도록 하고, 상기 베이스의 판체 하부면에 위치되는 상기 제3측벽체와 제4측벽체는 산화가스가 외부로 유출되지 않고 유동하게 되는 산화가스 가이드로 사용되도록 하는 것을 특징으로 하는 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 측벽을 이루는 제1측벽체, 제2측벽체, 제3측벽체, 제4측벽체는 상기 베이스의 제1결합체, 제2결합체, 제3결합체, 제4결합체에 각각 레이저용접으로 결합되는 것을 특징으로 하는 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 측벽을 이루는 제1측벽체, 제2측벽체, 제3측벽체, 제4측벽체와 상기 베이스의 제1결합체, 제2결합체, 제3결합체, 제4결합체는 서로 접촉하게 되는 면의 길이방향으로 1~3개의 용접라인을 따라 레이저용접되는 것을 특징으로 하는 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판.
  4. 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판의 제조방법에 있어서,
    정해진 폭과 길이를 가지는 평판 형상의 판체 상부면 폭방향 양단에 상측으로 절곡되어 돌출되는 제1결합체와 제2결합체가 형성되고 상기 판체의 하부면 길이방향 양단에 하측으로 절곡되어 돌출되는 제3결합체와 제4결합체가 형성되는 베이스, 평판의 일단부가 절곡된 'ㄱ'형 수직단면을 가지고 상기 베이스의 길이와 동일한 길이의 바(bar) 형상으로 이루어지는 제1측벽체과 제2측벽체, 평판의 일단부가 절곡된 'ㄱ'형 수직단면을 가지고 상기 베이스의 폭과 동일한 길이의 바(bar) 형상으로 이루어지는 제3측벽체와 제4측벽체를 구비하는 단계와;
    상기 베이스의 판체 상부면 폭방향 양단의 제1결합체와 제2결합체에 상기 제1측벽체와 제2측벽체가 각각 맞물리도록 하여 상기 베이스의 제1결합체와 제1측벽 체 및 상기 베이스의 제2결합체와 제2측벽체가 서로 결합되도록 하고, 상기 베이스의 판체 하부면 길이방향 양단의 제3결합체와 제4결합체에 상기 제3측벽체와 제4측벽체가 각각 맞물리도록 하여 상기 베이스의 제3결합체와 제3측벽체 및 상기 베이스의 제4결합체와 제4측벽체가 서로 결합되도록 하는 단계를 포함하여,
    상기 베이스의 판체 상부면에 위치되는 상기 제1측벽체와 제2측벽체는 연료가스가 외부로 유출되지 않고 유동하게 되는 연료가스 가이드를 형성하고, 상기 베이스의 판체 하부면에 위치되는 상기 제3측벽체와 제4측벽체는 산화가스가 외부로 유출되지 않고 유동하게 되는 산화가스 가이드를 형성하는 것을 특징으로 하는 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1측벽체, 제2측벽체, 제3측벽체, 제4측벽체와 상기 베이스의 제1결합체, 제2결합체, 제3결합체, 제4결합체는 서로 접촉하게 되는 면의 길이방향으로 1~3개의 용접라인을 따라 레이저용접되어 서로 결합되도록 하는 것을 특징으로 하는 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판의 제조방법.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 제1측벽체, 제2측벽체, 제3측벽체, 제4측벽체 각각의 내면이 상기 베이스의 제1결합체, 제2결합체, 제3결합체, 제4결합체 각각의 외면과 접촉하면서 서로 결합되도록 하여 상기 연료가스 가이드와 산화가스 가이드 내측으로는 단이 형성되 지 않도록 하여 연료가스와 산화가스의 유동저항이 최소화되도록 하는 것을 특징으로 하는 내부개질형 용융탄산염 연료전지용 분리판의 제조방법.
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