KR101091979B1 - 디스크형 고체산화물 연료전지 - Google Patents

디스크형 고체산화물 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디스크형 고체산화물 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 각 구성이 지지부재에 적층됨으로써 스택 효율을 높이고 소형화가 가능하며, 단전지와 금속지지체를 소결접합하고 금속지지체와 분리판을 용접 결합함으로써 내구성을 높일 수 있으며 실링성을 보다 높일 수 있는 디스크형 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지, 금속지지체, 디스크, 적층

Description

디스크형 고체산화물 연료전지{DISC TYPE SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 발명은 디스크형 고체산화물 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 각 구성이 지지부재에 적층됨으로써 스택 효율을 높이고 소형화가 가능하며, 단전지와 금속지지체를 소결접합하고 금속지지체와 분리판을 용접 결합함으로써 내구성을 높일 수 있으며 실링성을 보다 높일 수 있는 디스크형 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로, 수소, 산소와 같이 지구상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기 에너지를 발생시키는 새로운 친환경적 미래형 에너지 기술이다.
연료전지는 공기극(Cathode)에 산소가 공급되고 연료극(Anode)에 수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응 형태로 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 및 물이 발생되어 공해를 유발하지 않으면서도 고효율로 전기에너지를 생산한다.
이와 같은 연료전지는 종래 열기관에서 한계로 작용하는 카르노 순환(Carnot Cycle)의 제한으로부터 자유롭기 때문에 40% 이상의 효율을 올릴 수 있으며, 상술한 바와 같이 배출되는 물질이 물뿐이므로 공해의 우려가 없으며, 종래 열기관과는 달리 기계적으로 운동하는 부분이 불필요하기 때문에 소형화가 가능하고 소음이 없는 등 다양한 장점을 가지고 있다. 따라서 연료전지에 관련된 각종 기술 및 연구가 활발하게 진행되고 있다.
연료전지는 그 전해질 종류에 따라 인산 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융 탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell), 알칼리 연료전지(AFC, Alkaline Fuel Cell) 등 여섯 가지 종류 정도가 실용화되었거나 계획 중에 있다. 각 연료전지들의 특징을 하기의 표에 정리하였다.
구분 PAFC MCFC SOFC PEMFC DMFC AFC
전해질 인산 탄산리튬/
탄산칼륨		 지르코니아/
세리아계열		 수소이온
교환막		 수소이온
교환막		 수산화칼륨
이온전도체 수소이온 탄산이온 산소이온 수소이온 수소이온 수소이온
작동온도(℃) 200 650 500~1000 < 100 < 100 < 100
연료 수소 수소,
일산화탄소		 수소,탄화수소,일산화탄소 수소 메탄올 수소
연료원료 도시가스,LPG 도시가스,
LPG, 석탄		 도시가스,
LPG, 수소		 메탄올,
메탄휘발유,
수소		 메탄올 수소
효율(%) 40 45 45 45 30 40
출력범위(W) 100-5000 1000-1000000 100-100000 1-10000 1-100 1-100
주요용도 분산발전형 대규모발전 소·중·대규모발전 수송용
동력원		 휴대용전원 우주선용
전원
개발단계 실증-실용화 시험-실증 시험-실증 시험-실증 시험-실증 우주선적용
상기 표에서 알 수 있듯이 각각의 연료전지들은 그 출력범위 및 사용용도 등이 다양하여 목적에 따라 알맞은 연료전지를 선택할 수 있으며, 이 중에서도 상기 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)는 상대적으로 전해질의 위치제 어가 쉽고, 전해질의 위치가 고정되어 있어서 전해질 고갈의 위험성이 없으며, 부식성이 약하여 소재의 수명이 길다는 장점으로 인하여 분산 발전용, 상업용 및 가정용으로서 각광을 받고 있다.
상기 고체산화물 연료전지의 작동원리를 나타낸 개념도로, 공기극에 산소가 공급되고, 연료극에 수소가 공급되는 경우, 이때의 반응은 하기의 식을 따른다.
Figure 112009049590976-pat00001
고체산화물 연료전지는 통상 전해질로서 YSZ(yttria-stabilized zirconia), 연료극으로는 Ni-YSZ 도성 합금(cermet), 공기극으로는 페로브스카이트 재질(perovskite material)을 사용하며, 이동 이온(mobile ion)으로는 산소이온을 사용한다.
도 1은 종래의 고체산화물 연료전지(1)에 따른 개략도로, 전해질층(11), 상기 전해질층(11)의 양측 면에 형성되는 연료극(12) 및 공기극(13)을 포함하는 단전지(10); 상기 단전지(10)의 양측 면에 구비되는 집전부재(20); 및 내부에 상기 단전지(10) 및 집전부재(20)가 포함되도록 구비되는 분리판(30a, 30b)을 포함하여 형성된다.
상기 분리판(30a, 30b)은 상기 단전지(10) 및 집전부재(20)를 지지함과 동시에 공급통로(31a, 31b)가 형성되어 연료가스 및 공기(산소)를 공급한다.
한편, 상기 고체산화물 연료전지(1)는 상기 연료가스 및 공기가 정해진 경로 를 통해서만 이동되어야 하는데, 상기 연료가스 및 공기가 섞이거나 밖으로 누출될 경우에 전지 성능이 급격히 저하되므로 상당히 높은 수준의 밀봉 기술이 요구된다.
그런데, 종래의 고체산화물 연료전지(1)는 일반적으로 상기 분리판(30a, 30b)간의 접합 및, 단전지(10)와 분리판의 접합(도 1에서는 단전지(10)의 공기극(13)이 형성된 측이 밀봉재(40)를 이용하여 상측 분리판(30b)에 접합된 예를 도시하였다.)에 통상 유리재료 기반의 밀봉재(40)가 이용된다.
그러나 상기 유리재료 기반의 밀봉재(40)는 외부 충격에 의해 깨지기 쉬워 요구되는 충분한 강도를 갖기 어려우며, 반복적인 온도 변화에 의해 변형이 쉽게 유발되어 충분한 실링능력을 기대하기 어려운 문제점이 있어 고체산화물 연료전지(1) 성능 저하의 주된 원인이 된다.
또한, 상기 집전부재(20)는 상기 단전지(10)와 분리판(30a, 30b) 사이에 배치되어 전기적 성능을 향상시키는 구성으로, 금속합금 또는 귀금속으로 이루어진 메쉬형태로 이루어지며, 상기 단전지(10)로 상기 연료가스 및 공기가 균일하게 공급되도록 하지만, 상기 메쉬타입의 집전부재(20)가 구비됨으로써 실링이 더욱 어려워지며 집전 효율이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 상기 단전지(10) 모듈 하나만으로는 충분한 전압을 얻을 수 없으므로, 상기 단전지(10)의 면적을 증가시키거나 필요에 따라 스택 형태로 적층하여 이용되는데, 이러한 경우에는 요구되는 기계적 강도를 가지며 충분한 밀봉 특성을 만족시키기 더욱 어려워지는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전지를 구성하는 각 구성품의 중앙영역이 중공되고 별도의 지지부재에 의해 지지되어 적층됨으로써 스택이 용이하며, 그 크기를 소형화할 수 있는 디스크형 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이다.
아울러, 본 발명의 목적은 각 구성이 원형 단면을 갖도록 형성되고 단전지와 금속지지체를 소결 접합함으로써 셀의 변형을 최소화할 수 있으며, 상기 금속지지체를 분리판에 접합함으로써 실링 효율을 높일 수 있고, 충분한 기계적 강도를 갖는 디스크형 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 전해질층(110), 상기 전해질층(110)의 양측 면에 각각 형성되는 연료극(120) 및 공기극(130)을 포함하는 단전지(100); 상기 단전지(100)의 일측 면에 구비되는 제1집전부재(310); 및 상기 단전지(100)의 타측 면에 구비되어 공기 또는 연료가 유동되는 유로(410)가 형성되는 분리판(400)을 포함하여 형성되되, 상기 분리판(400), 단전지(100), 및 제1집전부재(310)는 중앙영역이 중공되고, 별도의 지지부재(500)에 의해 지지되어 적층되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 단전지(100)와 분 리판(400) 사이에 금속지지체(200)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 분리판(400), 금속지지체(200), 단전지(100), 및 제1집전부재(310)가 순차적으로 복수회 적층되어 스택형으로 제조될 수 있다.
또, 상기 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 연료 및 공기 중 하나가 상기 지지부재(500)를 통해 상기 분리판(400)의 유로(410)로 공급된 후 다시 상기 지지부재(500)를 통해 배출되며, 나머지 하나가 외부에서 공급되는 것을 특징으로 하고, 이 때, 상기 지지부재(500)는 길이방향으로 길게 제1통로(510) 및 제2통로(520)가 각각 형성되고, 상기 제1통로(510) 및 제2통로(520)는 상기 분리판(400)의 유로(410)와 연통되도록 폭방향으로 제1연통부(511) 및 제2연통부(512)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분리판(400)은 상기 제1연통부(511) 및 제2연통부(512)와 연결되는 유입부(411)와 배출부(412)가 형성되어 상기 유입부(411)를 통해 유입된 공기 또는 연료는 유로(410)를 따라 순환된 후 상기 배출부(412)를 통해 배출되는 것을 특징으로 하고, 상기 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 공기 또는 연료 중 하나가 상기 지지부재(500)의 상기 제1통로(510), 제1연통부(511), 및 상기 분리판(400)의 유입부(411)를 통해 공급되어 상기 유로(410)를 따라 유동되고, 다시 상기 분리판(400)의 배출부(412), 상기 지지부재(500)의 제2연통부(512), 제2통로(520)를 통해 배출되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 분리판(400), 금속지지체(200), 단전지(100), 및 제1집전부 재(310)는 원형 단면을 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속지지체(200)와 단전지(100)는 적층 이전에 접합재(600)가 도포되어 소결 접합되고, 상기 금속지지체(200)는 상기 분리판(400)의 유로(410)가 형성된 측에 용접 결합되는 것을 특징으로 하며, 상기 금속지지체(200)와 분리판(400) 사이에 제2집전부재(320)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 분리판(400), 금속지지체(200), 단전지(100), 및 제1집전부재(310)가 적층된 후, 상기 제1집전부재(310) 상측의 상기 지지부재(500)와 접하는 중공된 영역이 실링재(710)에 의해 실링 처리되고, 상기 분리판(400)은 하측의 중공된 영역에 인접하여 내측으로 단차진 단차부(413)가 형성된 것을 특징으로 하며, 상기 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 실링디스크(720)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 금속지지체(200)는 단전지(100)의 연료극(120)과 접합되며, 상기 지지부재(500)를 통해 상기 분리판(400)의 유로(410)로 연료가 공급되고 외부에 공기가 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속지지체(200)는 상기 분리판(400)의 유로(410)와 단전지(100)가 서로 연통되도록 중공된 중공부(210)가 형성되고, 이 때, 상기 중공부(210)는 복수개 형성되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지는 각 구성품이 중앙영역이 중공되고 별도의 지지부재에 의해 지지되어 적층됨으로써 스택이 용이하며, 소형화가 가능하고, 안정적이면서도 높은 에너지 생산 효율을 갖는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지는 각 구성이 원형 단면을 갖도록 형성되고 단전지와 금속지지체를 소결 접합함으로써 실링 효율을 높일 수 있고, 셀의 변형을 최소화할 수 있으며, 상기 금속지지체를 분리판에 접합함으로써 충분한 기계적 강도를 갖는 장점이 있다.
아울러, 본 발명은 연료 또는 공기 중 하나는 지지부재를 통해 분리판 유로를 통과하여 다시 상기 지지부재를 통해 배출되고 나머지 하나는 외부에서 공급되어 연료 및 공기의 공급이 용이하며 그 구성을 간소화할 수 있는 장점이 있다.
이하, 상술한 바와 같은 특징을 가지는 본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)의 사시도, 분해사시도, 및 단면사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)의 금속지지체(200)를 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)의 분리판(400)을 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)의 지지부재(500)를 나타낸 도면 이며, 도 8은 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)의 연료 또는 공기의 내부 흐름을 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)의 다른 사시도이며, 도 10은 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)의 또 다른 사시도이고, 도 11은 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)의 제조 방법을 나타낸 개략도이며, 도 12 내지 도 13은 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)의 제조 방법의 각 단계를 설명한 도면이다.
본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 단전지(100), 제1집전부재(310), 분리판(400), 및 지지부재(500)를 포함하여 형성된다.
먼저, 상기 단전지(100)는 전해질층(110), 상기 전해질층(110)의 양측 면에 각각 형성되는 연료극(120) 및 공기극(130)을 포함하여 형성되며, 상기 지지부재(500)를 관통할 수 있도록 중앙영역이 중공된다.
도면에서 상기 분리판(400)과 접하는 측(도면에서 하측)에 연료극(120)이 형성되고, 상측방향으로 순차적으로 연료극(120), 전해질층(110), 및 공기극(130)이 형성된 예를 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
상기 중공부(210)는 복수개 형성가능하며, 다양하게 형성될 수 있다.
상기 분리판(400)은 상기 단전지(100)의 일측 면과 맞닿는 일측 면에 공기 또는 연료가 유동되는 유로(410)가 형성된다.
상기 분리판(400)의 상기 단전지(100)와 접촉되는 일측은 연료 또는 공기가 유동되는 유로(410)가 형성되는데, 상기 분리판(400)은 상기 단전지(100)의 연료극(120)과 접촉되면 상기 유로(410)를 유동하는 물질은 연료가 되고, 상기 단전지(100)의 공기극(130)과 접촉되면 상기 유로(410)를 유동하는 물질은 공기가 된다.
상기 유로(410)는 다양한 형태로 형성될 수 있으나 전 영역에서 상기 단전지(100)로 고르게 연료 또는 공기가 유동될 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 도 6에 도시한 분리판(400)의 유로(410)는 2공간으로 구획되어 원형으로 다수의 유로(410)가 형성된 예를 도시한 것으로서, 본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 이외에도 상기 분리판(400) 내부의 돌출부 형상을 조절하여 다양한 유로(410)를 형성할 수 있다.
본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 단전지(100)와 분리판(400) 사이에 금속지지체(200)가 더 형성될 수 있다.
도면에서, 금속지지체(200)를 포함하는 예를 도시하였다.
상기 금속지지체(200)는 상기 단전지(100)의 일측 면에 구비되어 상기 단전지(100)를 지지하고 연료전지(1000)의 집전 효율을 보다 높일 수 있도록 판형태로 형성되며, 상기 단전지(100)와 마찬가지로 중앙영역이 중공되며, 일측의 분리판(400)을 통해 공급되는 연료 또는 공기가 상기 단전지(100)로 공급될 수 있도록 중공부(210)가 형성된다.
상기 금속지지체(200)는 일측 면이 상기 단전지(100)와 접합되고 타측 면이 상기 분리판(400)과 접합되므로 각 접합과정 중에 변형되지 않는 저도의 기계적 강 도 및 내열성을 가지며, 전도성이 있는 금속, 금속 합금 등이 이용가능하다.
상기 단전지(100)와 금속지지체(200)는 서로 접합되는 것이 바람직한데, 이 때 그 사이에 접합재(600)가 도포된 후 소결 접합하는 방법이 이용될 수 있으며, 이 외에도 물질적 혹은 화학적인 다른 접합 방법을 이용하여 결합될 수도 있다.
상기 소결 접합 방법은 상기 접합재(600)로서 상기 금속지지체(200)를 통해 공급되는 연료 또는 공기가 상기 단전지(100)로 원활히 이동될 수 있도록 다공성 및 도전특성을 갖는 슬러리가 이용될 수 있으며, 실례로 페라이트계 금속과 NiO/YSZ가 미량 혼합된 서멧이 이용될 수 있다.
본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 단전지(100)와 금속지지체(200)가 접합재(600)를 이용하여 소결 접합함으로써 종래의 집전체를 이용함에 따라 발생되는 밀봉 또는 집전 효율 저하의 문제를 해결할 수 있으며, 전체 연료전지(1000)의 기계적 강도 및 내구성을 보다 높일 수 있는 장점이 있다.
또, 상기 소결 접합 방법은 1000 ℃ 이상의 온도로 가열됨에 따라 그 접합 면적이 넓은 경우에 단전지(100)가 변형될 수 있는 위험이 존재하나, 본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 단전지(100) 및 금속지지체(200)가 상기 지지부재(500)에 관통되어 고정되기 위해 중앙영역이 중공되므로, 소결 접합 과정에서 발생될 수 있는 단전지(100)의 변형을 최소화 할 수 있다.
상기 도 5 (a)에 도시한 금속지지체(200)는 4개의 구획된 각 공간에 연속적인 중공부(210)가 형성되되, 각 부분의 중공부(210)는 상기 분리판(400)의 유로(410)와 용이하게 연통될 수 있도록 원주의 일부가 연속적으로 연결된 "Z"자형으 로 형성된 예를 도시하였다.
상기 도 5 (b)에 도시한 금속지지체(200)는 4개의 구획된 각 공간에 지름과 수직하는 중공부(210)가 연속적으로 연결되어 "Z"자형으로 형성된 예를 도시하였다.
상기 금속지지체(200)의 중공부(210)는 더욱 다양하게 형성될 수 있으나, 상기 분리판(400)의 유로(410)를 통해 공급된 연료 또는 공기가 단전지(100)로 온전히 공급될 수 있도록 상기 단전지(100)와 접합되는 영역 내부에만 형성되어야 하며, 이 때, 상기 분리판(400)의 유로(410)와 상기 금속지지체(200)의 중공부(210)는 상ㆍ하방향으로 서로 연결되도록 형성되어 연료 또는 공기가 상기 단전지(100)로 원활히 이동되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 분리판(400)의 유로(410)가 형성된 측은 상기 금속지지체(200)와 접합되는 것이 바람직한데, 그 방법으로서 용접이 이용될 수 있다.
상기 분리판(400)과 금속지지체(200)의 둘레가 용접 결합됨으로써 밀봉 성능을 더욱 높일 수 있으며, 물론, 상기 분리판(400)의 유로(410)로 연료 또는 공기가 유입될 수 있는 공간(제1연통부(511) 및 제2연통부(512), 아래에서 그 구체적인 구성을 다시 설명한다.)은 제외하고 용접된다.
본 발명에서 용접이란, 레이저, 아르곤 등을 이용한 용접뿐만 아니라, 브레이징을 포함하는 큰 의미로 해석될 수 있다.
본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 금속지지체(200)와 분리판(400)이 용접 결합되어 접촉되는 둘레부분에서 연료가 누출되어 에너지 생산 효율이 저하되는 문제점을 해결할 수 있는 장점이 있다.
상기 제1집전부재(310)는 상기 단전지(100)의 타측 면(금속지지체(200)와 접합되지 않는 측)에 구비되는 구성으로서, 외부에서 공급되는 연료 또는 공기가 상기 단전지(100)로 원활히 공급되도록 다공성 또는 메쉬 타입으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 집전 효율을 더욱 높일 수 있도록 상기 도 9에 도시한 바와 같이, 상기 분리판(400)과 금속지지체(200) 사이에 제2집전부재(320)가 더 구비될 수 있으며, 이 때, 상기 분리판(400)은 내부에 상기 제2집전부재(320)가 구비되는 공간을 형성하도록 일정 영역이 내측으로 단차지게 형성된다.
상기 지지부재(500)는 상기 단전지(100), 금속지지체(200), 제1집전부재(310), 및 분리판(400)이 관통되어 이들을 지지하는 구성으로서, 본 발명의 금속지지체형 연료전지(1000)는 상기 분리판(400), 금속지지체(200), 단전지(100) 및 제1집전부재(310)가 순차적으로 복수회 적층되어 스택형으로 제조될 수 있다.
이 때, 본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 단전지(100)에 공급되는 연료 또는 공기 중 하나가 상기 지지부재(500)를 통해 상기 분리판(400)의 유로(410)로 공급된 후 다시 상기 지지부재(500)를 통해 배출되며, 나머지 하나가 외부에서 공급되도록 한다.
즉, 상기 지지부재(500)는 상기 분리판(400), 금속지지체(200), 단전지(100), 및 제1집전부재(310)를 지지하는 역할 뿐만 아니라, 상기 분리판(400)으 로 연료 또는 공기를 공급하는 공급통로의 역할을 담당할 수 있는데, 도 7에 도시한 지지부재(500)는 길이방향으로 길게 제1통로(510) 및 제2통로(520)가 각각 형성되고, 상기 제1통로(510) 및 제2통로(520)는 상기 분리판(400)의 유로(410)와 연통되도록 폭방향으로 제1연통부(511) 및 제2연통부(512)가 형성된다.
또한, 상기 분리판(400)은 상기 지지부재(500)의 제1연통부(511) 및 제2연통부(512)와 연결되어 내부의 유로(410)로 연료 또는 공기가 유입될 수 있도록 각각 상기 제1연통부(511) 및 제2연통부(512)와 연결되는 유입부(411)와 배출부(412)가 형성된다.
상기 유입부(411) 및 배출부(412)는 개방된 형태로서, 상기 금속지지체(200)와 분리판(400)의 용접 시 상기 부분은 개방된 형태를 유지하도록 해야 한다.
본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)의 분리판(400) 유로(410)를 통해 유동되는 연료 또는 공기의 흐름을 설명하면, 상기 제1통로(510)를 통해 길이방향으로 이동되면서, 제1연통부(511), 및 유입부(411)를 통해 각각의 분리판(400) 유로(410) 내측으로 이동되고, 유로(410)를 순환한 후, 배출부(412), 및 제2연통부(512)를 통해 상기 제2통로(520)로 이동되어 배출된다.
상기 도 8은 상기 분리판(400) 내부 유로(410)를 순환하는 연료 또는 공기의 흐름 예를 나타낸 것으로서, 더욱 상세하게, 도 8 (a)에 도시한 연료 또는 공기의 흐름은 상기 제1통로(510)를 통해 상측에서 하측방향으로 이동되면서, 제1연통부(511) 및 유입부(411)를 통해 폭방향으로 이동되고, 각각 좌ㆍ우측 유로(410)로 분기되어 이동된 후, 상기 배출부(412) 및 제2연통부(512)를 통해 상기 제2통 로(520)로 이동되며, 상기 제2통로(520)를 통해 하측에서 상측방향으로 이동되는 예를 도시하였다.
도 8 (b)는 그 흐름이 상기 도 8 (a)에 도시한 연료 또는 공기의 흐름과 동일하되, 상기 제2통로(520)의 흐름이 반대(상측에서 하측)로 형성된 예를 도시하였다.
본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 도 8에 도시한 흐름 형태 외에도 각 흐름이 상ㆍ하ㆍ좌ㆍ우 대칭으로 형성되어도 무방하다.
이 때, 각각의 분리판(400)은 각각의 유입부(411) 및 배출부(412)와 대응되는 상기 지지부재(500)의 제1연통부(511)와 제2연통부(512)의 위치가 연통되도록 고정되어야 하므로, 상기 지지부재(500)의 위치는 최초 적층 위치를 결정하는 높이형성부재(미도시)가 형성될 수 있다.
상기 높이형성부재는 내주면에 나사산이 형성된 볼트형태가 이용되고, 상기 지지부재(500)의 외면이 이에 대응되도록 형성될 수도 있다.
상기 높이형성부재는 하측에서 그 위치를 결정할 수 있는 다양한 형태가 이용될 수 있으며, 전체의 고정은 자중에 의해서 고정될 수도 있으나, 상기 볼트형태의 높이형성부재와 같은 형태가 상측 지지부재(500)에 체결되도록 할 수 있다.
아울러, 본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 하나의 단위 구성(분리판(400), 금속지지체(200), 단전지(100), 및 제1집전부재(310))이 적층된 후, 다른 단위가 적층되기 이전에 상기 분리판(400), 금속지지체(200), 단전지(100), 및 제1집전부재(310)가 적층되고, 상기 제1집전부재(310) 상측의 상기 지 지부재(500)와 접하는 중공된 영역이 실링부재에 의해 실링 처리되는 것이 바람직하다.
이를 통해, 연료 및 공기가 혼합되지 않도록 실링성을 높일 수 있으며, 에너지 생성 효율을 보다 높일 수 있게 된다.
이 때, 상기 분리판(400)의 하측은 상기 실링재(710)의 부피를 흡수할 수 있도록 중공된 영역에 인접하여 내측으로 단차진 단차부(413)가 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 도 10에 도시한 바와 같이, 상기 실링 처리되는 부분에 실링디스크(720)가 더 구비될 수 있다.
상기 도 10에 도시한 상기 실링디스크(720)는 중공된 중앙 영역 및 외주를 감싸도록 2곳에 형성된 예를 도시하였다.
상기 실링디스크(720)는 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 도 10의 중앙에 구비된 실링디스크(720)는 내주면이 상기 단전지(100), 금속지지체(200), 및 분리판(400)을 감싸도록 단차지게 형성된 예를 도시한 것으로서, 상기 실링디스크(720)는 상기 분리판(400)의 유로(410)를 차단하지 않도록 형성되어야 한다.
또한, 상기 실링디스크(720)의 실링성을 보다 향상하기 위하여 상기 실링디스크(720)와 단전지(100) 사이의 틈에 실런트(Sealant)와 같은 실링재(710) 더 형성될 수 있다.
상기 도 10의 외주면에 형성된 실링디스크(720)는 상기 단전지(100)와 금속지지체(200)를 감싸도록 형성된 예를 도시하였으며, 중앙(내주 부분) 및 외주에 각 각 상기 실링디스크(720)가 구비되고, 상기 실링디스크(720)와 상기 단전지(100) 사이의 틈에 양측 모두 실링재(710)가 형성된 예를 도시하였다.
상기 중앙 및 외주에 형성된 실링디스크(720)는 상기 단전지(100), 금속지지체(200), 및 분리판(400)의 형태에 따라 상기 도 10에 도시한 바와 같이, 단차진 형태 외에도 판형태의 링형 부재가 이용될 수도 있으며, 중앙 및 외주 중 한 곳에만 위치되어도 무방하다.
상기 분리판(400), 금속지지체(200), 단전지(100), 및 제1집전부재(310)는 모두 원형 단면을 갖도록 형성되는 것이 바람직한데, 이는 적층이 용이할 뿐만 아니라 전 영역에서 상기 지지부재(500)를 통해 공급되는 연료 또는 공기가 원활하게 이동되도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 연료 또는 가스의 흐름 설계가 용이할 뿐만 아니라, 구성을 간소화하고 스택 작업이 용이한 장점이 있다.
본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)를 제조하는 방법을 상세히 설명하면, Sa) 전해질층(110) 및 연료극(120)과, 금속지지체(200) 고정 단계(Sa); Sb) 공기극 형성 단계(Sb); Sc) 금속지지체(200) 및 분리판(400) 고정 단계(Sc); 및 Sd) 조립단계(Sd)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지(1000) 제조 방법은 상술한 바와 같은 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)의 각 구성의 특성을 갖는다.
상기 Sa) 전해질층(110) 및 연료극(120)과, 금속지지체(200) 고정 단계(Sa) 는 단전지(100)의 일부를 형성하는 전해질층(110) 및 연료극(120)의 연료극(120) 측에 금속지지체(200)를 접합 고정하는 단계로서, 이 때, 상기 연료극(120) 측과 금속지지체(200)는 접합재(600)를 이용하여 소결 접합될 수 있다. (도 12 참조)
Sb) 공기극(130) 형성 단계(Sb); 는 상기 전해질층(110) 및 연료극(120)의 일측에 금속지지체(200)가 고정된 구성의 전해질층(110)이 형성된 측에 공기극(130)을 형성하는 단계이다.
상기 Sc) 금속지지체(200) 및 분리판(400) 고정 단계는 일측에 단전지(100)가 고정된 금속지지체(200)의 타측 면과 공기 또는 연료가 유동되는 유로(410)가 형성된 분리판(400)을 고정하는 단계로서, 연료 또는 공기가 유동되는 분리판(400)의 공간(유입부(411) 및 배출부(412))을 제외하고 용접 결합될 수 있다. (도 13 참조)
도 11에서 금속지지체(200)를 고정한 후, 공기극(130)을 형성하고, 금속지지체(200) 및 분리판(400) 고정 단계가 순차적으로 행해진 예를 도시하였으나, 본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)의 제조 방법은 상기 금속지지체(200)와 분리판(400)을 먼저 고정한 후, 상기 금속지지체(200)에 단전지(100)가 고정되어도 무방하다.
상기 Sd) 조립단계는 상기 단전지(100), 금속지지체(200), 및 분리판(400) 조립체와 제1집전부재(310)가 별도의 지지부재(500)에 의해 복수회 적층되어 조립되는 단계로서, 상기 조립 단계에서, 상기 단전지(100), 금속지지체(200), 및 분리판(400) 조립체와 제1집전부재(310)가 1회 적층된 후 상기 제1집전부재(310) 상측 의 상기 지지부재(500)와 접하는 중공된 영역이 실링재(710)에 의해 실링 처리될 수 있다.
즉, 상기 단전지(100), 금속지지체(200), 및 분리판(400) 조립체와 제1집전부재(310)를 적층하고, 이를 실링한 후, 상기 적층 및 실링이 반복된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 각 구성을 먼저 접합시켜 단위화 하여 스택 공정을 간소화할 수 있으며, 밀봉효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
도 1은 종래의 고체산화물 연료전지에 따른 개략도.
도 2내지 도 4는 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지의 사시도, 분해사시도, 및 단면사시도.
도 5는 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지의 금속지지체를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지의 분리판을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지의 지지부재를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지의 연료 또는 공기의 내부 흐름을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지의 다른 사시도.
도 10은 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지의 또 다른 사시도.
도 11은 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지의 제조 방법을 나타낸 개략도.
도 12 내지 도 13은 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지의 제조 방법의 각 단계를 설명한 도면.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
1000 : 디스크형 고체산화물 연료전지
100 : 단전지 110 : 전해질층
120 : 연료극 130 : 공기극
200 : 금속지지체 210 : 중공부
310 : 제1집전부재 320 : 제2집전부재
400 : 분리판 410 : 유로
411 : 유입부 412 : 배출부
413 : 단차부
500 : 지지부재 510 : 제1통로
511 : 제1연통부 520 : 제2통로
521 : 제2연통부
600 : 접합재
710 : 실링재 720 : 실링디스크
Sa ~ Sc : 본 발명에 따른 디스크형 고체산화물 연료전지의 제조 방법 각 단계

Claims (17)

  1. 전해질층(110), 상기 전해질층(110)의 양측 면에 각각 형성되는 연료극(120) 및 공기극(130)을 포함하는 단전지(100);
    상기 단전지(100)의 일측 면에 구비되는 제1집전부재(310); 및
    상기 단전지(100)의 타측 면에 구비되어 공기 또는 연료가 유동되는 유로(410)가 형성되는 분리판(400)을 포함하여 형성되되,
    상기 분리판(400), 단전지(100), 및 제1집전부재(310)는 중앙영역이 중공되고, 별도의 지지부재(500)에 의해 지지되어 적층되며,
    상기 연료 및 공기 중 하나가 상기 지지부재(500)를 통해 상기 분리판(400)의 유로(410)로 공급된 후 다시 상기 지지부재(500)를 통해 배출되며, 나머지 하나가 외부에서 공급되는 것을 특징으로 하는 디스크형 고체산화물 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는
    상기 단전지(100)와 분리판(400) 사이에 금속지지체(200)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 디스크형 고체산화물 연료전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 분리판(400), 금속지지 체(200), 단전지(100), 및 제1집전부재(310)가 순차적으로 복수회 적층되어 스택형으로 제조되는 것을 특징으로 하는 디스크형 고체산화물 연료전지.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재(500)는 길이방향으로 길게 제1통로(510) 및 제2통로(520)가 각각 형성되고, 상기 제1통로(510) 및 제2통로(520)는 상기 분리판(400)의 유로(410)와 연통되도록 폭방향으로 제1연통부(511) 및 제2연통부(512)가 형성되는 것을 특징으로 하는 디스크형 고체산화물 연료전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 분리판(400)은 상기 제1연통부(511) 및 제2연통부(512)와 연결되는 유 입부(411)와 배출부(412)가 형성되어 상기 유입부(411)를 통해 유입된 공기 또는 연료는 유로(410)를 따라 순환된 후 상기 배출부(412)를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 디스크형 고체산화물 연료전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 공기 또는 연료 중 하나가 상기 지지부재(500)의 상기 제1통로(510), 제1연통부(511), 및 상기 분리판(400)의 유입부(411)를 통해 공급되어 상기 유로(410)를 따라 유동되고, 다시 상기 분리판(400)의 배출부(412), 상기 지지부재(500)의 제2연통부(512), 제2통로(520)를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 디스크형 고체산화물 연료전지.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 분리판(400), 금속지지체(200), 단전지(100), 및 제1집전부재(310)는 원형 단면을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 디스크형 고체산화물 연료전지.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 금속지지체(200)와 단전지(100)는 적층 이전에 접합재(600)가 도포되어 소결 접합되는 것을 특징으로 하는 디스크형 고체산화물 연료전지.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 금속지지체(200)는 상기 분리판(400)의 유로(410)가 형성된 측에 용접 결합되는 것을 특징으로 하는 디스크형 고체산화물 연료전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 금속지지체(200)와 분리판(400) 사이에 제2집전부재(320)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 디스크형 고체산화물 연료전지.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 분리판(400), 금속지지체(200), 단전지(100), 및 제1집전부재(310)가 적층된 후, 상기 제1집전부재(310) 상측의 상기 지지부재(500)와 접하는 중공된 영역이 실링재(710)에 의해 실링 처리되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 분리판(400)은 하측의 중공된 영역에 인접하여 내측으로 단차진 단차부(413)가 형성된 것을 특징으로 하는 디스크형 고체산화물 연료전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 디스크형 고체산화물 연료전지(1000)는 실링디스크(720)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 디스크형 고체산화물 연료전지.
  15. 제2항에 있어서,
    상기 금속지지체(200)는 단전지(100)의 연료극(120)과 접합되며, 상기 지지부재(500)를 통해 상기 분리판(400)의 유로(410)로 연료가 공급되고 외부에 공기가 공급되는 것을 특징으로 하는 디스크형 고체산화물 연료전지.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 금속지지체(200)는 상기 분리판(400)의 유로(410)와 단전지(100)가 서로 연통되도록 중공된 중공부(210)가 형성되는 것을 특징으로 하는 디스크형 고체산화물 연료전지.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 중공부(210)는 복수개 형성되는 것을 특징으로 하는 디스크형 고체산화물 연료전지.
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