KR101116241B1 - 금속지지체 고체산화물 연료전지용 분리판, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지, 및 그 제조 방법 - Google Patents

금속지지체 고체산화물 연료전지용 분리판, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지, 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속지지체 고체산화물 연료전지용 분리판, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지, 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게, 복수개의 판형부재를 접합하여 분리판을 형성함으로써 연료가스 및 공기가 공급되는 유로를 독립적으로 형성하여 단전지의 반응 이전에 연료가스 또는 공기가 누출되거나 서로 혼합되지 않도록 하며 내구성을 높이면서도 경량화가 가능한 금속지지체 고체산화물 연료전지용 분리판, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지, 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 금속지지체 고체산화물 연료전지(1000)용 분리판(100)은 전해질층(310), 상기 전해질층(310)의 양측 면에 각각 형성되는 연료극(320) 및 공기극(330)을 포함하는 복수의 단전지(300) 사이에 구비되는 금속지지체 고체산화물 연료전지(1000)용 분리판(100)에 있어서, 상기 분리판(100)은 상ㆍ하방향으로 중공되어 각각 연료가스 및 공기를 공급하는 연료가스 공급부(210) 및 공기 공급부(220)가 형성되되, 판형태로 상면에 내측으로 일정영역 함입되어 연료가스가 이동가능한 제1채널(111) 및 상기 연료가스 공급부(210)와 제1채널(111)을 연결하는 제1이동부(112)가 형성되고, 하면에 내측으로 일정영역 함입되어 공기가 이동가능한 제2채널(113) 및 상기 공기 공급부(220)와 제2채널(113)을 연결하는 제2이동부(114)가 형성되는 제1판형부재(110); 판형태로 상기 제1판형부재(110)의 상면에 접합되며 상기 제1채널(111)의 연료가스가 상측에 위치한 상기 단전지(300)의 연료 극(320)으로 공급될 수 있도록 상ㆍ하방향으로 중공된 제1중공부(121)가 형성되는 제2판형부재(120); 및 판형태로 상기 제1판형부재(110)의 하면에 접합되며 상기 제2채널(113)의 공기가 하측에 위치한 다른 단전지(300)의 공기극(330)으로 공급될 수 있도록 상ㆍ하방향으로 중공된 제2중공부(131)가 형성되는 제3판형부재(130); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 금속지지체 고체산화물 연료저지용 분리판, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지, 및 그 제조 방법은 복수개의 판형부재를 접합하고, 단전지의 연료극을 상기 분리판의 일측에 직접 접합하도록 함으로써 연료가스 및 공기가 혼합되거나 누출되는 일 없이 각각 정해진 유로를 통해 단전지로 공급되어 확실한 밀봉이 가능하고, 이를 통해 안정적이면서도 에너지 생산 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 제1판형부재에 함입되는 형태의 제1채널, 제1이동부, 제2채널, 및 제2이동부를 형성하고, 그 상ㆍ하측에 제2판형부재 및 제3판형부재가 접합됨으로써 연료가스 및 공기가 유동되는 유로를 용이하게 형성할 수 있으며, 제조 단가를 낮출 수 있고 소형화 및 경량화가 가능한 장점이 있다.
고체산화물 연료전지, 분리판, 연료극, 공기극

Description

금속지지체 고체산화물 연료전지용 분리판, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지, 및 그 제조 방법{SUPPORT AND SOLID OXIDE FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 금속지지체 고체산화물 연료전지용 분리판, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지, 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게, 복수개의 판형부재를 접합하여 분리판을 형성함으로써 연료가스 및 공기가 공급되는 유로를 독립적으로 형성하여 단전지의 반응 이전에 연료가스 또는 공기가 누출되거나 서로 혼합되지 않도록 하며 내구성을 높이면서도 경량화가 가능한 금속지지체 고체산화물 연료전지용 분리판, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지, 및 그 제조 방법에 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 공 급되어 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.
Figure 112009049632782-pat00001
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 위치제어가 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 112009049632782-pat00002
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 양측면에 형성되는 연료극(12) 및 공기극(13)을 포함하는 단전지(10); 상기 단전지(10)의 양측면에 구비되는 집전체(20); 및 내부에 상기 단전지(10) 및 집전체(20)가 포함되도록 구비되는 분리판(30a, 30b)을 포함하여 형성된다.
상기 분리판(30a, 30b)은 상기 단전지(10) 및 집전체(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 경로를 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 연료전 지(1) 성능 저하의 주된 원인이 된다.
또한, 상기 집전체(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 집전체(20)가 구비됨으로써 실링이 더욱 어려워지는 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, 복수개의 판형부재를 접합하고, 단전지의 연료극을 상기 분리판의 일측에 직접 접합하도록 함으로써 연료가스 및 공기가 혼합되거나 누출되는 일 없이 각각 정해진 유로를 통해 단전지로 공급되어 확실한 밀봉이 가능하고 충분한 기계적 강도를 갖는 금속지지체 고체산화물 연료전지용 분리판, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지, 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 금속지지체 고체산화물 연료전지(1000)용 분리판(100)은 전해질층(310), 상기 전해질층(310)의 양측 면에 각각 형성되는 연료극(320) 및 공기극(330)을 포함하는 복수의 단전지(300) 사이에 구비되는 금속지지체 고체산화물 연료전지(1000)용 분리판(100)에 있어서, 상기 분리판(100)은 상ㆍ하방향으로 중공되어 각각 연료가스 및 공기를 공급하는 연료가스 공급부(210) 및 공기 공급부(220)가 형성되되, 판형태로 상면에 내측으로 일정영역 함입되어 연료가스가 이동가능한 제1채널(111) 및 상기 연료가스 공급부(210)와 제1채널(111)을 연결하는 제1이동부(112)가 형성되고, 하면에 내측으로 일정영역 함입되어 공기가 이동가능한 제2채널(113) 및 상기 공기 공급부(220)와 제2채널(113)을 연결하는 제2이동부(114)가 형성되는 제1판형부재(110); 판형태로 상기 제1판형부재(110)의 상면에 접합되며 상기 제1채널(111)의 연료가스가 상측에 위치한 상기 단전지(300)의 연료극(320)으로 공급될 수 있도록 상ㆍ하방향으로 중공된 제1중공부(121)가 형성되는 제2판형부재(120); 및 판형태로 상기 제1판형부재(110)의 하면에 접합되며 상기 제2채널(113)의 공기가 하측에 위치한 다른 단전지(300)의 공기극(330)으로 공급될 수 있도록 상ㆍ하방향으로 중공된 제2중공부(131)가 형성되는 제3판형부재(130); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1판형부재(110), 제2판형부재(120), 및 제3판형부재(130)는 용접, 브레이징, 또는 확산 접합에서 선택되는 하나의 방법에 의해 고정되는 형성되는 것을 특징으로 하고, 상기 제1판형부재(110), 제2판형부재(120), 및 제3판형부재(130)는 별도의 고정수단에 의해 체결가능하도록 상ㆍ하방향으로 중공되는 고정부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 제2판형부재(120)는 상기 제1중공부(121)가 형성되는 제1영역(120a)과, 상기 제1영역(120a)을 감싸는 제2영역(120b)이 별도로 제작되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 분리판(100)은 상기 제1판형부재(110)와 제2판형부재(120) 사이에 제1집전부재(140)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 고체산화물 연료전지(1000)는 전해질층(310), 상기 전해질층(310)의 양측 면에 각각 형성되는 연료극(320) 및 공기극(330)을 포함하는 복수의 단전지(300); 상기 복수개의 단전지(300) 사이에 구비되며, 상술한 바와 같은 특징을 가지는 분리판(100); 내부가 중공되며 상기 분리판(100)이 접촉되는 부위에 구비되는 절연및밀봉수단(400); 최상측 단전지(300)를 지지하는 상측 지지분리판(510); 및 최하측 단전지(300)를 지지하는 하측 지지분리판(520); 을 포함한다.
또한, 상기 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 연료가스 공급부(210)를 통해 공급된 연료가스가 상기 제1이동부(112), 제1채널(111), 및 제2판형부재(120)의 제1중공부(121)를 통해 상기 연료극(320)으로 공급되고, 상기 공기 공급부(220)를 통해 공급된 공기가 상기 제2이동부(114), 제2채널(113), 및 제3판형부재(130)의 제2중공부(131)를 통해 공기극(330)으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 분리판(100)의 제2판형부재(120)와 상기 단전지(300)의 연료극(320)은 접합되는 것을 특징으로 하고, 상기 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 분리판(100)의 제3판형부재(130) 하측과 단전지(300)의 공기극(330) 사이에 제2집전부재(600)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 고체산화물 연료전지(1000)는 S210) 상술한 바와 같은 특징을 가지는 고체산화물 연료전지(1000)를 구성하는 각 부품을 제조하는 준비 단계; S220) 상기 단전지(300)의 연료극(320)과 상기 제2판형부재(120)를 접합하는 연료극(320) 및 제2판형부재(120) 접합 단계; S230) 상기 제1판형부재(110), 상기 단전지(300)가 접합된 제2판형부재(120), 및 제3판형부재(130)를 고정하는 분리판(100) 형성 단계; 및 S240) 단전지(300)가 접합된 분리판(100), 제2집전부재(600), 절연및밀봉수단(400)이 반복 구비되고, 상ㆍ하측에 상측 지지판과 하측 지지분리 판(520)에 의해 지지되도록 적층한 후, 별도의 고정부재가 상기 고정부를 관통하여 고정하는 조립 단계 ; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 연료극(320) 및 제2판형부재(120) 접합 단계는, 상기 단전지(300)의 연료극(320)과 제2판형부재(120) 사이에 접합재가 도포된 후 소결 접합되는 것을 특징으로 하고, 상기 소결 온도는 1000 내지 1500 ℃인 것을 특징으로 하며, 상기 접합재는 다공성 및 도전 특성을 갖는 슬러리인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2판형부재(120)가 상기 제1중공부(121)가 형성된 제1영역(120a)과, 상기 제1영역(120a)을 감싸는 제2영역(120b)이 별도로 제작되는 경우에, 상기 연료극(320) 및 제2판형부재(120) 접합 단계는 S221) 상기 단전지(300)의 연료극(320)과 상기 제2판형부재(120)의 제1영역(120a)을 접합하는 연료극(320) 및 제1영역(120a) 접합 단계; 및 S222) 상기 단전지(300)가 접합된 제1영역(120a) 및 제2영역(120b)을 접합하는 제1영역(120a) 및 제2영역(120b) 접합 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 분리판(100) 형성 단계는 상기 제1판형부재(110)와 제2판형부재(120) 사이에 제1집전부재(140)를 구비한 후, 고정하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 금속지지체 고체산화물 연료전지용 분리판, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지, 및 그 제조 방법은 복수개의 판형부재를 접합하고, 단전지의 연료극을 상기 분리판의 일측에 직접 접합하도록 함으로써 연료가스 및 공 기가 혼합되거나 누출되는 일 없이 각각 정해진 유로를 통해 단전지로 공급되어 확실한 밀봉이 가능하고, 이를 통해 안정적이면서도 에너지 생산 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 제1판형부재에 함입되는 형태의 제1채널, 제1이동부, 제2채널, 및 제2이동부를 형성하고, 그 상ㆍ하측에 제2판형부재 및 제3판형부재가 접합됨으로써 연료가스 및 공기가 유동되는 유로를 용이하게 형성할 수 있으며, 제조 단가를 낮출 수 있고 소형화 및 경량화가 가능한 장점이 있다.
이하, 상술한 바와 같은 특징을 가지는 본 발명의 금속지지체 고체산화물 연료전지(1000)용 분리판(100), 이를 포함하는 고체산화물 연료전지(1000), 및 그 제조 방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 금속지지체 고체산화물 연료전지(1000)용 분리판(100)의 사시도, 분해사시도, 및 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 금속지지체 고체산화물 연료전지(1000)용 분리판(100)의 다른 사시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 금속지지체 고체산화물 연료전지(1000)용 분리판(100)의 또 다른 단면도이다.
먼저, 본 발명의 금속지지체 고체산화물 연료전지(1000)용 분리판(100)은, 복수개의 단전지(300)가 적층되는 경우에 그 사이에 형성되어 상기 단전지(300)를 지지하는 분리판(100)에 관한 것으로서, 상기 단전지(300)는 전해질층(310), 상기 전해질층(310)의 양측 면에 각각 형성되는 연료극(320) 및 공기극(330)을 포함하여 형성된다.
본 발명의 분리판(100)은 상ㆍ하방향으로 중공되어 각각 연료가스 및 공기를 공급하는 연료가스 공급부(210) 및 공기 공급부(220)가 형성되며, 제1판형부재(110), 제2판형부재(120), 및 제3판형부재(130)를 포함하여 형성된다.
먼저, 상기 제1판형부재(110)는 일측 면에 연료가스가 이동가능한 제1채널(111) 및 제1이동부(112)와, 타측 면에 공기가 이동가능한 제2채널(113) 및 제2이동부(114)가 형성된다.
도 4는 본 발명에 따른 금속지지체 고체산화물 연료전지(1000)용 분리판(100)을 나타낸 단면도로, 도 4 (a)는 상기 도 2에 도시한 분리판(100)의 AA' 단면도이고, 도 4 (b)는 상기 도 2에 도시한 분리판(100)의 BB' 단면도이다.
더욱 상세하게, 상기 제1판형부재(110)의 상면에는 내측으로 일정영역 함입되어 연료가스가 이동가능한 제1채널(111) 및 상기 연료가스 공급부(210)와 제1채널(111)을 연결하는 제1이동부(112)가 형성되고, 하면에는 내측으로 일정영역 함입되어 공기가 이동가능한 제2채널(113) 및 상기 공기 공급부(220)와 제2채널(113)을 연결하는 제2이동부(114)가 형성된다.
상기 제1판형부재(110)의 제1채널(111), 제1이동부(112), 제2채널(113), 및 제2이동부(114) 등의 구성은 다양한 기계 또는 화학적 가공법에 의해 형성될 수 있으며, 함입되는 형태로서 연료전지 및 공기가 이동되는 공간을 형성함으로써 가공 및 제작이 용이하며, 분리판(100) 및 전체 스택을 경량화할 수 있는 장점이 있다.
상기 제2판형부재(120)는 상기 제1판형부재(110)의 상면에 형성되는 구성으로, 단전지(300)의 연료극(320)으로 연료가스를 공급하도록 상ㆍ하방향으로 중공된 제1중공부(121)가 형성되며, 상기 제2판형부재(120)의 하면은 제1채널(111) 및 제1이동부(112)가 함입되어 연료가스가 이동되는 영역을 제외하고 서로 접합된다.
상기 제2판형부재(120)는 종래의 금속지지체 역할을 담당함으로써, 하면은 상술한 바와 같이, 상기 제1판형부재(110)의 상면과 접합되며, 상면에는 상기 단전지(300)의 연료극(320)이 형성된다.
이 때, 상기 제2판형부재(120)와 단전지(300)의 연료극(320)은 소결접합되며, 본 발명의 금속지지체 고체산화물 연료전지(1000)용 분리판(100)은 상기 제2판형부재(120)를 이용하여 소결 시 보다 용이하게 접합되도록 할 수 있는 장점이 있다.
상기 제3판형부재(130)는 상기 제1판형부재(110)의 하면에 접합되며 상기 제2채널(113)의 공기가 하측에 위치한 다른 단전지(300)의 공기극(330)으로 공급될 수 있도록 상ㆍ하방향으로 중공된 제2중공부(131)가 형성되며, 상기 제3판형부재(130)의 상면은 상기 제1판형부재(110) 제2채널(113) 및 제2이동부(114)가 함입되어 공기가 이동되는 영역을 제외하고 서로 접합된다.
이를 통해, 본 발명의 금속지지체 고체산화물 연료전지(1000)용 분리판(100)은 복수개의 단전지(300)가 적층된다 할지라도, 상기 연료가스 및 공기는 각각 상기 분리판(100)이 형성하는 유로를 따라 이동되어 혼합되거나 누출되지 않도록 하는 장점이 있다.
이 때, 상기 제1판형부재(110), 제2판형부재(120), 및 제3판형부재(130)는 서로 고정되기 위한 방법으로, 용접, 브레이징, 또는 확산 접합에서 선택되는 하나의 방법이 이용될 수 있으며, 이 외에도 상기 연료가스 및 공기가 독립적인 유로를 형성할 수 있도록 상기 제1판형부재(110), 제2판형부재(120), 및 제3판형부재(130)를 일체화할 수 있는 방법이라면 다양하게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 금속지지체 고체산화물 연료전지(1000)용 분리판(100)은 단전지(300)가 복수개 형성되어 상기 분리판(100) 역시 복수개 형성되는 경우에 별도의 고정수단에 의해 체결가능하도록 상ㆍ하방향으로 중공되는 고정부(230)가 형성된다.
상기 도 2 및 도 3에서 상기 고정부(230)가 모서리 4곳 및 그 사이 4곳 총 8 곳에 형성된 예를 도시하였으나, 상기 고정부(230)는 요구되는 고정력에 따라 그 크기 및 개수가 조절될 수 있다.
또한, 제1판형부재(110)의 제1채널(111) 및 제2채널(113)의 형태, 제2판형부재(120)의 제1중공부(121), 및 제3판형부재(130)의 제2중공부(131)의 형태는 연료가스 또는 공기를 용이하게 이동할 수 있는 어떠한 형태라도 다양하게 형성될 수 있다.
본 발명의 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제2판형부재(120)가 제1영역(120a) 및 제2영역(120b)으로 별도 제작될 수 있다.
상기 제1영역(120a)은 상기 단전지(300)의 연료극(320)으로 연료가스가 이동 되는 제1중공부(121)가 형성되는 영역으로, 상기 연료극(320)이 소결접합되는 경우에, 제2판형부재(120)의 영역이 커지면 그만큼 열에 의해 변형될 수 있으므로, 상기 연료극(320)이 접합될 수 있는 만큼 제1영역(120a)이 별도로 형성될 수 있다.
상기 단전지(300)와 제2판형부재(120)의 접합 등과 같은 전체 고체산화물 연료전지(1000)의 제조와 관련한 내용은 아래에서 다시 설명한다.
상기 제2영역(120b)은 상기 제1영역(120a)의 둘레를 감싸는 형태로, 상기 제2판형부재(120)를 형성하는 제2영역(120b)을 제외한 영역을 의미한다.
도 6에 도시한 본 발명의 금속지지체 고체산화물 연료전지(1000)용 분리판(100)은 상기 제1판형부재(110)와 제2판형부재(120) 사이에 제1집전부재(140)가 더 형성된 예를 도시한 것으로서, 상기 제1집전부재(140)는 제1판형부재(110)와 제2판형부재(120)가 더욱 밀착되도록 함으로써 집전 효율을 높일 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지(1000)의 분해사시도이고, 도 8은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지(1000)의 다른 분해사시도이다.
본 발명의 고체산화물 연료전지(1000)는 전해질층(310), 상기 전해질층(310)의 양측 면에 각각 형성되는 연료극(320) 및 공기극(330)을 포함하는 복수의 단전지(300); 상술한 바와 같은 특징을 가지며 상기 복수개의 단전지(300) 사이에 구비되는 분리판(100); 상기 단전지(300)가 구비되도록 내부가 중공되며 상기 분리판(100)이 접촉되는 부위에 구비되는 절연및밀봉수단(400); 최상측 단전지(300)를 지지하는 상측 지지분리판(510); 및 최하측 단전지(300)를 지지하는 하측 지지분리판(520)을 포함한다.
본 발명의 고체산화물 연료전지(1000)는 상술한 바와 같은 분리판(100)을 이용함으로써 상기 연료가스 공급부(210)를 통해 공급된 연료가스가 상기 제1이동부(112), 제1채널(111) 및 제2판형부재(120)의 제1중공부(121)를 통해 상기 복수개의 연료극(320)으로 공급되고, 상기 공기 공급부(220)를 통해 공급된 공기가 상기 제2이동부(114), 제2채널(113) 및 제3판형부재(130)의 제2중공부(131)를 통해 상기 복수개의 공기극(330)으로 공급됨으로써 연료가스 및 공기가 혼합되거나 누출되는 일 없이 상기 정해진 유로를 통해서만 단전지(300)로 공급된다.
또, 본 발명의 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 단전지(300)의 연료극(320)과 상기 분리판(100)을 형성하는 제2판형부재(120)가 접합됨으로써 연료가스 및 공기의 확실한 밀봉이 가능하고, 안정적이면서도 높은 에너지 생산 효율을 가지며, 충분한 기계적 강도를 가져 내구성을 높임으로써 사용 수명을 늘린 장점이 있다.
본 발명의 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 도 7에 도시한 형태 외에도, 제2판형부재(120)가 제1영역(120a) 및 제2영역(120b)으로 분리된 형태(도 5 참조)가 적용될 수도 있다.
아울러, 본 발명의 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 분리판(100)의 제3판형부재(130) 하측과 단전지(300)의 공기극(330) 사이에 제2집전부재(600)가 더 형성될 수 있다.
상기 절연및밀봉수단(400)은 상기 분리판(100)이 접촉되는 부위에 구비되어 절연이 유지되도록 하며, 내부 기밀이 유지되도록 하는 수단으로, 절연 및 밀봉 기능을 수행할 수 있는 다양한 물질이 이용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 고체산화물 연료전지(1000)에 따른 제조 방법의 단계도이고, 도 10은 도 9에 도시한 본 발명의 고체산화물 연료전지(1000)에 따른 제조 방법의 각 단계를 나타낸 개략도이다.
본 발명의 고체산화물 연료전지(1000)의 제조 방법은 S210) 준비 단계; S220) 연료극(320) 및 제2판형부재(120) 접합 단계; S230) 분리판(100) 형성 단계; 및 S240) 조립 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 S210) 준비 단계는 고체산화물 연료전지(1000)를 구성하는 각 부품을 제조하는 단계로서, 단전지(300), 분리판(100)을 형성하는 제1판형부재(110), 제2판형부재(120), 및 제3판형부재(130), 절연및밀봉수단(400), 상측 지지분리판(510), 및 하측 지지분리판(520)과 함께 집전 효율을 높이기 위한 제1집전부재(140) 및 제2집전부재(600) 등을 준비하는 단계이다.
상기 S220) 연료극(320) 및 제2판형부재(120) 접합 단계는 상기 도 10 (a)에 도시한 바와 같이, 상기 단전지(300)의 연료극(320)과 상기 제2판형부재(120)를 접합하는 단계로서, 다양한 접합 방법이 이용될 수 있으나, 구체적인 접합 방법으로서, 상기 단전지(300)의 연료극(320)과 제2판형부재(120) 사이에 접합재가 도포된 후 소결 접합될 수 있다.
이 때, 상기 소결 온도는 1000 내지 1500 ℃이며, 상기 접합재는 다공성 및 도전 특성을 갖는 슬러리 인 것이 바람직하다.
상기 S230) 분리판(100) 형성 단계는 상기 도 10 (b)에 도시된 바와 같이, 단전지(300)가 접합된 제2판형부재(120)와, 제1판형부재(110) 및 제3판형부재(130)를 고정하는 단계로서, 용접, 브레이징, 또는 확산 접합에서 선택되는 하나의 방법이 이용될 수 있다.
본 발명의 고체산화물 연료전지(1000) 제조 방법은 복수개의 판형부재를 이용함으로써 연료가스 및 공기가 유동되는 유로를 용이하게 형성함으로써 가공 비용을 줄일 수 있으며, 분리판(100), 및 전체 연료전지 스택을 경량화 할 뿐만 아니라, 연료가스 및 공기가 각각 정해진 유로를 따라 이동되어 누출되어 발생될 수 있는 문제점을 확실히 차단할 수 있는 장점이 있다.
특히, 복수개의 판형부재를 이용하는 점은 경량화의 장점뿐만 아니라, 분리판(100), 및 전체 연료전지 스택의 기계적 강도를 높일 수 있어 내구성을 향상시킬 수 있고, 밀봉효율을 높여 안정적이면서도 에너지 생산 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 제1판형부재(110)와 제2판형부재(120) 사이에 제1집전부재(140)를 구비할 경우에는 상기 분리판(100) 형성 단계에서, 상기 제1집전부재(140)를 위치한 후, 전체 판형부재들을 고정하도록 한다.
상기 S240) 조립 단계는 상기 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제조 된 단전지(300)가 접합된 분리판(100), 제2집전부재(600), 절연및밀봉수단(400) 반복 구비되고, 상ㆍ하측에 상측 지지판과 하측 지지분리판(520)에 의해 지지되도록 적층한 후, 별도의 고정부(230)재가 상기 고정부(230)를 관통하여 고정함으로써 고체산화물 연료전지(1000)의 제조를 완료하는 단계이다.
도 11은 본 발명의 고체산화물 연료전지(1000)에 따른 제조 방법에 따른 다른 단계도이고, 도 12는 도 11에 도시한 본 발명의 고체산화물 연료전지(1000)에 따른 제조 방법에 따른 단계를 나타낸 개략도이다.
상기 도 11 및 도 12는 상기 제2판형부재(120)가 제1영역(120a) 및 제2영역(120b)으로 분리형성된 예를 도시한 것으로서, 이 때, 상기 연료극(320) 및 제2판형부재(120) 접합 단계는 S221) 연료극(320) 및 제1영역(120a) 접합 단계; 및 S222) 제1영역(120a) 및 제2영역(120b) 접합 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 도 11 및 도 12에 도시한 방법은 소결 시, 상기 제2판형부재(120)가 넓은 영역으로 형성됨에 따라 소결 온도에 따른 변형으로, 상기 제1판형부재(110)와 접합되는 분리판(100)의 제작시, 상기 제2판형부재(120)와 제1판형부재(110)가 완벽히 접합되지 못하게 되는 문제점을 방지하기 위한 방법이다.
즉, 본 발명의 고체산화물 연료전지(1000) 제조 방법은 상기 제2판형부재(120)를 상기 단전지(300)와 접합되는 제1영역(120a) 및 상기 제1영역(120a)을 감싸는 제2영역(120b)으로 별도 제작한 후, 상기 연료극(320) 및 제2판형부재(120) 접합 단계에서 상기 S221) 연료극(320) 및 제1영역(120a) 접합 단계를 통해 먼저, 상기연료극(320)과 제1영역(120a)을 소결 접합 한 뒤(도 12 (a) 참조), 상기 제1영역(120a)과 제2영역(120b)을 접합(도 12 (b) 참조)한다.
상기 S222) 제1영역(120a) 및 제2영역(120b) 접합 단계는 용접을 비롯한 다양한 방법이 이용가능하다.
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 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 분리판의 사시도, 분해사시도, 및 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 분리판의 다른 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 분리판의 또 다른 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 분해사시도.
도 8은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 다른 분해사시도.
도 9는 본 발명의 고체산화물 연료전지에 따른 제조 방법의 단계도.
도 10은 도 9에 도시한 본 발명의 고체산화물 연료전지에 따른 제조 방법의 각 단계를 나타낸 개략도.
도 11은 본 발명의 고체산화물 연료전지에 따른 제조 방법에 따른 다른 단계도.
도 12는 도 11에 도시한 본 발명의 고체산화물 연료전지에 따른 제조 방법에 따른 단계를 나타낸 개략도.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
1000 : 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지
100 : 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 분리판
110 : 제1판형부재
111 : 제1채널 112 : 제1이동부
113 : 제2채널 114 : 제2이동부
120 : 제2판형부재 121 : 제1중공부
120a, 120b : 제1영역, 제2영역
130 : 제3판형부재 131 : 제2중공부
140 : 제1집전부재
210 : 연료가스 공급부 220 : 공기 공급부
230 : 고정부
300 : 단전지 310 : 전해질층
320 : 연료극 330 : 공기극
400 : 절연및밀봉수단
510 : 상측 지지부재 520 : 하측 지지부재
600 : 제2집전부재
S210 ~S240 : 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 제조 방법의 각 단계

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 전해질층(310), 상기 전해질층(310)의 양측 면에 각각 형성되는 연료극(320) 및 공기극(330)을 포함하는 복수의 단전지(300) 사이에 구비되는 금속지지체 고체산화물 연료전지(1000)용 분리판(100)에 있어서,
    상기 분리판(100)은
    상ㆍ하방향으로 중공되어 각각 연료가스 및 공기를 공급하는 연료가스 공급부(210) 및 공기 공급부(220)가 형성되되,
    판형태로 상면에 내측으로 일정영역 함입되어 연료가스가 이동가능한 제1채널(111) 및 상기 연료가스 공급부(210)와 제1채널(111)을 연결하는 제1이동부(112)가 형성되고, 하면에 내측으로 일정영역 함입되어 공기가 이동가능한 제2채널(113) 및 상기 공기 공급부(220)와 제2채널(113)을 연결하는 제2이동부(114)가 형성되는 제1판형부재(110);
    판형태로 상기 제1판형부재(110)의 상면에 접합되어 상기 연료가스 공급부(210)의 연료가스가 상기 제1이동부(112) 및 제1채널(111)을 통해 이동되며, 상기 제1채널(111)의 연료가스가 상측에 위치한 상기 단전지(300)의 연료극(320)으로 공급될 수 있도록 상ㆍ하방향으로 중공된 제1중공부(121)가 형성되는 제2판형부재(120); 및
    판형태로 상기 제1판형부재(110)의 하면에 접합되어 상기 공기 공급부(220)의 공기가 상기 제2이동부(114) 및 제2채널(113)을 통해 이동되며, 상기 제2채널(113)의 공기가 하측에 위치한 다른 단전지(300)의 공기극(330)으로 공급될 수 있도록 상ㆍ하방향으로 중공된 제2중공부(131)가 형성되는 제3판형부재(130); 를 포함하며,
    상기 제1판형부재(110), 제2판형부재(120), 및 제3판형부재(130)는 용접, 브레이징, 또는 확산 접합에서 선택되는 하나의 방법에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 금속지지체 고체산화물 연료전지(1000)용 분리판.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1판형부재(110), 제2판형부재(120), 및 제3판형부재(130)는 별도의 고정수단에 의해 체결가능하도록 상ㆍ하방향으로 중공되는 고정부(230)가 형성되는 것을 특징으로 하는 금속지지체 고체산화물 연료전지(1000)용 분리판.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2판형부재(120)는 상기 제1중공부(121)가 형성되는 제1영역(120a)과, 상기 제1영역(120a)을 감싸는 제2영역(120b)이 별도로 제작되는 것을 특징으로 하는 금속지지체 고체산화물 연료전지용 분리판.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 분리판(100)은
    상기 제1판형부재(110)와 제2판형부재(120) 사이에 제1집전부재(140)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 금속지지체 고체산화물 연료전지용 분리판.
  6. 전해질층(310), 상기 전해질층(310)의 양측 면에 각각 형성되는 연료극(320) 및 공기극(330)을 포함하는 복수의 단전지(300);
    상기 복수개의 단전지(300) 사이에 구비되며, 상기 제2항 내지 제5항 중 선택되는 어느 한 항에 의한 분리판(100);
    내부가 중공되며 상기 분리판(100)이 접촉되는 부위에 구비되는 절연및밀봉수단(400);
    최상측 단전지(300)를 지지하는 상측 지지분리판(510); 및
    최하측 단전지(300)를 지지하는 하측 지지분리판(520); 을 포함하는 고체산화물 연료전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지(1000)는
    상기 연료가스 공급부(210)를 통해 공급된 연료가스가 상기 제1이동부(112), 제1채널(111), 및 제2판형부재(120)의 제1중공부(121)를 통해 상기 연료극(320)으로 공급되고,
    상기 공기 공급부(220)를 통해 공급된 공기가 상기 제2이동부(114), 제2채널(113), 및 제3판형부재(130)의 제2중공부(131)를 통해 공기극(330)으로 공급되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분리판(100)의 제2판형부재(120)와 상기 단전지(300)의 연료극(320)은 접합되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지(1000)는 상기 분리판(100)의 제3판형부재(130) 하측과 단전지(300)의 공기극(330) 사이에 제2집전부재(600)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  10. S210) 상기 제9항에 의한 고체산화물 연료전지(1000)를 구성하는 각 부품을 제조하는 준비 단계;
    S220) 상기 단전지(300)의 연료극(320)과 상기 제2판형부재(120)를 접합하는 연료극(320) 및 제2판형부재(120) 접합 단계;
    S230) 상기 제1판형부재(110), 상기 단전지(300)가 접합된 제2판형부재(120), 및 제3판형부재(130)를 고정하는 분리판(100) 형성 단계; 및
    S240) 단전지(300)가 접합된 분리판(100), 제2집전부재(600), 절연및밀봉수단(400)가 반복 구비되고, 상ㆍ하측에 상측 지지판과 하측 지지분리판(520)에 의해 지지되도록 적층한 후, 별도의 고정부(230)재가 상기 고정부(230)를 관통하여 고정하는 조립 단계 ; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지(1000)의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연료극(320) 및 제2판형부재(120) 접합 단계는,
    상기 단전지(300)의 연료극(320)과 제2판형부재(120) 사이에 접합재가 도포된 후 소결 접합되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지(1000)의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 소결 온도는 1000 내지 1500 ℃인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지(1000)의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 접합재는 다공성 및 도전 특성을 갖는 슬러리인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지(1000)의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제2판형부재(120)가 상기 제1중공부(121)가 형성된 제1영역(120a)과, 상기 제1영역(120a)을 감싸는 제2영역(120b)이 별도로 제작되는 경우에,
    상기 연료극(320) 및 제2판형부재(120) 접합 단계는
    S221) 상기 단전지(300)의 연료극(320)과 상기 제2판형부재(120)의 제1영역(120a)을 접합하는 연료극(320) 및 제1영역(120a) 접합 단계; 및
    S222) 상기 단전지(300)가 접합된 제1영역(120a) 및 제2영역(120b)을 접합하는 제1영역(120a) 및 제2영역(120b) 접합 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지(1000)의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 분리판(100) 형성 단계는
    상기 제1판형부재(110)와 제2판형부재(120) 사이에 제1집전부재(140)를 구비한 후, 고정하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지(1000)의 제조 방법.
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