KR101230090B1 - 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정한 연료전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

밀봉재를 이용하여 단전지를 고정한 연료전지 및 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101230090B1
KR101230090B1 KR1020100058473A KR20100058473A KR101230090B1 KR 101230090 B1 KR101230090 B1 KR 101230090B1 KR 1020100058473 A KR1020100058473 A KR 1020100058473A KR 20100058473 A KR20100058473 A KR 20100058473A KR 101230090 B1 KR101230090 B1 KR 101230090B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
unit cell
metal plate
cell
fuel
sealing material
Prior art date
Application number
KR1020100058473A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20110138539A (ko
Inventor
배중면
정지훈
백승욱
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020100058473A priority Critical patent/KR101230090B1/ko
Publication of KR20110138539A publication Critical patent/KR20110138539A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101230090B1 publication Critical patent/KR101230090B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0286—Processes for forming seals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/002—Shape, form of a fuel cell
    • H01M8/006—Flat
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정한 연료전지 및 그 고정방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 밀봉재가 연료가스의 누출을 방지하는 기능 이외에도 단전지를 고정시키는 기능을 동시에 제공함과 더불어, 밀봉재가 금속판에 접하는 면적을 증대시켜 그 접합 강도를 증대시키는 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정한 연료전지 및 그 고정방법에 관한 것이다.

Description

밀봉재를 이용하여 단전지를 고정한 연료전지 및 그 제조 방법{FUEL-CELL OF FIXING A CELL WITH SEALING MATERIAL AND THE METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정한 연료전지 및 그 고정방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 밀봉재가 연료가스의 누출을 방지하는 기능 이외에도 단전지를 고정시키는 기능을 동시에 제공함과 더불어, 밀봉재가 금속판에 접하는 면적을 증대시켜 그 접합 강도를 증대시키는 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정한 연료전지 및 그 고정방법에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 반응물의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 발전장치이다. 도 1에는 이러한 연료전지의 일반적인 개념도를 설명하고 있다. 일반적으로 연료전지는 연료극(Anode)(103)과 공기극(Cathod)(105) 및 상기 연료극(103)과 공기극(105) 사이에 위치하는 전해질(electrolyte)(104) 매트릭스 또는 멤브레인으로 구성된다.
이러한 연료전지는 연료극(103)으로 연료가스(110)(통상 수소)가 주입되어 산화되고, 공기극(105)으로 공기가 공급되어 연료극(103)과 공기극(105) 사이에 위치하는 전해질(104) 매트릭스 혹은 멤브레인을 통하여 이온이 이동되어 외부회로(106)를 경유하는 방식으로 작동된다.
즉, 제1 금속판(101)에 형성된 채널(channel)을 따라 수소(110)가 흘러가면서 연료극(103)과 반응하게 된다. 수소는 연료극(103)에서 이온화하여 전자와 수소이온으로 분해되고, 여기서 발생한 전자는 전해질(104)을 통과하지 못하고 외부 회로(106)를 따라 이동하면서 외부에서 일을 수행한다.
반면 수소 이온은 전해질을 통해 이동하게 된다. 공기극(105)에서는 외부 회로를 돌아온 전자와 전해질을 통과한 수소 이온 그리고 산소가 만나 물이 생성되게 된다.
연료전지 스택(Stack; 단위 cell을 여러 장 쌓은 형상)은 단위전지가 여러 개 적층된 것을 말하며, 높은 용량의 전기를 생산하기 위해 대면적으로 제작된다.
이러한 각각의 구성요소는 스택의 형태에 따라 그 형상들과 역할이 조금씩 차이를 나타내는데, 그중에서도, 연료전지의 운전 중 양극 및 음극 간 또는 단전지간의 가스흐름을 차단하며 구성층 사이를 접합 및 스택전체를 지지하기 위한 밀봉재의 역할은 중요하다.
고체산화물 연료전지에서 밀봉재는 연료극에 공급되는 연료 기체와 공기극에 공급되는 공기가 서로 혼합되지 않도록 하는 역할을 수행한다. 즉, 밀봉재는 연료전지 스택의 금속계 연결재 사이를 밀봉하여 연료(fuel)와 산화제(oxident)의 혼합, 가스 누출(leak) 방지 및 셀들 사이를 전기적으로 절연하는 것으로, 밀봉재는 밀봉 시 일정한 점도를 유지하여야 하고, 결합 구성요소와의 열팽창계수 차가 10% 이내여야 한다. 또한 전기비저항이 커야 되며, 고온압력 하에서 변형이 없어야 한다.
밀봉재는 완벽한 밀봉, 최소한의 열팽창계수 차, 결합강도, 열에 대한 안정성 및 진동, 충격에 견디는 저항성과 같은 기계적 특성 외에도, 산화/환원 분위기와, 안전한 타 구성요소와의 화학적 안정성과 수소에 대한 부식과 같은 화학적 특성과, 비전도체적 성질을 가지는 전기적 특성이 요구되어진다.
종래에는 이러한 밀봉재를 스택의 외부와 내부를 기밀하는 용도로만 사용하였다. 다만, 금속판과 셀간의 접합시 사이의 접합층에 기공이 형성되도록 하는 경우에는 접합층의 접합강도가 상대적으로 약해지게 되는데, 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 밀봉재를 셀의 기밀을 확보하는 것 이외에도 금속판과 셀간의 접합 강도를 향상시키는 목적으로도 사용하고 있다.
또한, 종래에는 금속판(금속분리판)과 단전지(셀)을 접합하는 과정에서 접합재를 사용하는 경우가 대부분이었다. 이러한 접합재로서 슬러리를 이용하였는데, 이를 고온 소결방법을 통하여 소결시킴으로써 접착을 하는 방법이었다. 다만, 이러한 슬러리의 존재는 금속판으로부터 연료극으로의 연료 공급에 방해를 가하게 되어 연료 공급 효율이 저하되는 문제가 있었다.
또한, 이러한 연료전지에서 집전체와 같이 집전 효율을 높이고, 단전지(셀)를 지지하기 위해서, 금속 지지체를 사용하는 경우가 일반적이었다. 최근에는 금속 지지체에 기공이 형성되도록 하여 금속판으로부터 연료극으로의 연료의 공급이 원활하도록 하는 기술들이 사용되고 있다.
하지만, 연료극과 금속판 사이에 금속 지지체를 사용하는 경우, 금속판에 형성된 관로와 연료극 사이에 금속 지지체가 존재하기 때문에 연료의 공급효율이 저하되는 문제가 발생하게 된다.
본 발명에서는 유리 밀봉재를 이용하여 금속판과 셀을 보다 강력하게 고정하는 역할을 수행함과 동시에, 금속판과 셀 사이를 기밀하여 공급 연료가 유출되는 것을 방지하기 위한 연료전지를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 종래의 슬러리와 같은 접합재를 사용하지 않고서, 셀이 금속판에 지지될 수 있도록 하여 연료 공급 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지를 제공하고자 한다.
또한, 셀과 금속판 사이에 연료 공급을 방해할 수 있는 요소를 제거함으로써 연료 공급 효율을 향상시키고, 연료 전지의 제작 공정을 단순화하여 제작 비용을 절감하는 연료전지를 제공하고자 한다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 다음과 같은 해결 수단을 제공하고 있다.
본 발명에 의한 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정한 연료전지는, 연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와, 측벽(13)으로 둘러쌓여 상기 단전지(30)가 수용되는 공간인 수용부(16)와, 상기 수용부(16)의 저면을 형성하고 상기 단전지(30)가 안착되는 안착부(15)와, 상기 측벽(13)과 상기 안착부(15) 사이에 제공되고 상기 안착부(15)보다 더 낮은 저면을 가지도록 형성되는 홈(14)을 포함하는 금속판(10)과, 상기 홈(14)을 포함하여 상기 단전지(30)와 상기 금속판(10) 사이에 제공되어, 상기 단전지(30)를 상기 금속판(10)에 대해 고정시키는 밀봉재(40)를 포함하고, 상기 단전지(30)와 상기 금속판(10)의 측벽(13) 사이에는 틈(18)이 제공되고, 상기 틈(18)을 통해 밀봉재(40)가 상기 홈(14)에 채워지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예로서, 연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와, 측벽(13)으로 둘러쌓여 상기 단전지(30)가 수용되는 공간인 수용부(16)와, 상기 수용부(16)의 저면을 형성하고 상기 단전지(30)가 안착되는 안착부(15)와, 상기 측벽(13)과 상기 안착부(15) 사이에 제공되고 상기 안착부(15)보다 더 낮은 저면을 가지도록 형성되는 홈(14)을 포함하는 금속판(10)과, 상기 단전지(30)와 상기 안착부(15) 사이에 제공되는 금속 페이스트층(20)과, 상기 홈(14)을 포함하여 상기 단전지(30)와 상기 금속판(10) 사이에 제공되어, 상기 단전지(30)를 상기 금속판(10)에 대해 고정시키는 밀봉재(40)를 포함하고, 상기 단전지(30)와 상기 금속판(10)의 측벽(13) 사이에는 틈(18)이 제공되고, 상기 틈(18)을 통해 밀봉재(40)가 상기 홈(14)에 채워지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 금속 페이스트층(20)은 상기 안착부(15)의 표면에 금속 페이스트를 코팅하여 형성되고, 다수의 기공이 형성되도록 소결되어 상기 금속판(10)과 상기 단전지(30)를 접합시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속판(10)은 연료가 제공되는 관로(12)를 포함하고, 상기 금속 페이스트층(20)은 상기 관로(12)와 상기 단전지(30) 사이에는 공간부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정하는 연료전지의 제조 방법은, 연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와, 상기 단전지(30)를 수용할 수 있는 공간을 가지는 금속판(10)과, 상기 금속판(10)에 대하여 상기 단전지(30)를 고정시키는 밀봉재(40)를 포함하는, 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정하는 연료전지 제조 방법이고, 상기 금속판(10)에 측벽(13)으로 둘러쌓여 상기 단전지(30)가 수용되는 공간인 수용부(16)와, 상기 수용부(16)의 저면을 형성하고 상기 단전지(30)가 안착되는 안착부(15)를 형성하는 단계와, 상기 금속판(10)에 상기 측벽(13)과 상기 안착부(15) 사이에 제공되고 상기 안착부(15)보다 더 낮은 저면을 가지도록 형성되는 홈(14)을 형성하는 단계와, 상기 단전지(30)와 상기 측벽(13) 사이에 틈(18)이 형성된 채, 상기 단전지를(30) 상기 안착부(15)에 안착시키는 단계와, 상기 틈(18)을 통해 상기 홈(14)을 포함하여 상기 단전지(30)와 상기 금속판(14) 사이에 밀봉재를 삽입하여, 상기 단전지(30)를 고정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와, 상기 단전지(30)를 수용할 수 있는 공간을 가지는 금속판(10)과, 상기 금속판(10)에 대하여 상기 단전지(30)를 고정시키는 밀봉재(40)를 포함하는, 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정하는 연료전지 제조 방법은, 상기 금속판(10)에 측벽(13)으로 둘러쌓여 상기 단전지(30)가 수용되는 공간인 수용부(16)와, 상기 수용부(16)의 저면을 형성하고 상기 단전지(30)가 안착되는 안착부(15)를 형성하는 단계와, 상기 금속판(10)에 상기 측벽(13)과 상기 안착부(15) 사이에 제공되고 상기 안착부(15)보다 더 낮은 저면을 가지도록 형성되는 홈(14)을 형성하는 단계와, 상기 안착부(15)의 표면에 금속 페이스트층(20)을 코팅하는 단계와, 상기 단전지(30)와 상기 측벽(13) 사이에 틈(18)이 형성된 채, 상기 단전지를(30) 상기 금속 페이스트층(20)에 안착시키는 단계와, 상기 금속페이스트층(20)에 다수의 기공이 형성되도록 소결시키면서 상기 금속판(10)과 상기 단전지(30)를 접합시키는 단계와, 상기 틈(18)을 통해 상기 홈(14)을 포함하여 상기 단전지(30)와 상기 금속판(14) 사이에 밀봉재를 삽입하여, 상기 단전지(30)를 고정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 금속판(10)은 연료가 제공되는 관로(12)를 포함하고, 상기 금속 페이스트층(20)은 상기 관로(12)와 상기 단전지(30) 사이에는 공간부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 유리 밀봉재를 이용하여 금속판과 셀을 보다 강력하게 고정하는 역할을 수행함과 동시에, 금속판과 셀 사이를 기밀하여 공급 연료가 유출되는 것을 방지하기 위한 연료전지를 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 종래의 슬러리와 같은 접합재를 사용하지 않고서, 셀이 금속판에 지지될 수 있도록 하여 연료 공급 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지를 제공하는 효과가 있다.
또한, 셀과 금속판 사이에 연료 공급을 방해할 수 있는 요소를 제거함으로써 연료 공급 효율을 향상시키고, 연료 전지의 제작 공정을 단순화하여 제작 비용을 절감하는 연료전지를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 고체산화물 연료전지의 구조를 보여주는 개념도.
도 2는 본 발명의 일실시예인 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정한 연료전지의 제조 공정도.
도 3은 본 발명의 일실시예인 연료전지의 금속판에 금속 페이스트를 코팅한 사시도.
도 4는 본 발명의 일실시예인 연료전지의 단면도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 금속 페이스트 지지형 연료전지에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 사용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정하는 연료전지의 제조 방법의 공정도를 설명하고 있다.
본 발명에 의한 연료전지는 연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와, 단전지(30)를 수용할 수 있는 공간을 가지는 금속판(10)과, 금속판(10)에 대하여 단전지(30)를 고정시키는 밀봉재(40)를 포함한다.
먼저, 금속판(10)에 측벽(13)으로 둘러쌓여 단전지(30)가 수용되는 공간인 수용부(16)와, 수용부(16)의 저면을 형성하고 단전지(30)가 안착되는 안착부(15)를 형성하는 제1 단계이다.
본 발명은 밀봉재를 이용하여 금속판(10)에 단전지(30)를 고정시키는 데, 고정 강도를 증가시키기 위해 밀봉재가 금속판(10)에 접촉하는 면적을 최대화하는 것이 필요하다. 또한, 밀봉재(40)가 접촉하는 면적을 최대화하는 경우에는, 기밀 효율도 극대화시킬 수 있다.
따라서, 금속판(10)에 측벽(13)과 안착부(15) 사이에 제공되고 상기 안착부(15)보다 더 낮은 저면을 가지도록 형성되는 홈(14)을 형성하는 제2 단계가 필요하다. 상기 홈(14)은 밀봉재(40)가 유입되어 금속판(10)과의 접촉면을 증대시키는 기능을 수행한다. 이렇듯 본 발명의 기능은 본 금속판(10)의 구조적 형상으로부터 나옴을 인식하여야 한다.
상기와 같은 형상의 금속판(10)이 제조된 후, 단전지(30)와 측벽(13) 사이에 틈(18)이 형성된 채로, 단전지(30)를 안착부(15)에 안착시키는 제3 단계가 필요하다. 이때 틈(18)은 단전지(30)와 금속판(10) 사이로 밀봉재를 유입시키기 위함이다.
이후, 틈(18)을 통해 홈(14)을 포함하여 단전지(30)와 금속판(14) 사이에 밀봉재를 삽입하여, 단전지(30)를 고정시키는 제4 단계가 수반된다.
이러한 제조 방법에 의해 제조된 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정하는 연료전지의 구조에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에 의한 일실시예로서 연료전지는, 연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와, 단전지(30)가 고정되는 금속판(10)을 포함한다.
이때 금속판(10)은 측벽(13)으로 둘러쌓여 단전지(30)가 수용되는 공간인 수용부(16)와, 수용부(16)의 저면을 형성하고 단전지(30)가 안착되는 안착부(15)와, 측벽(13)과 안착부(15) 사이에 제공되고 안착부(15)보다 더 낮은 저면을 가지도록 형성되는 홈(14)을 포함하는 것이 바람직하다.
단전지(30)와 금속판(10)의 사이에는 밀봉재(40)가 채워지는 데, 밀봉재(40)는 홈(14)을 포함하여 단전지(30)와 금속판(10) 사이에 제공되어, 단전지(30)를 금속판(10)에 대해 고정시키는 기능을 수행한다.
밀봉재(40)는 종래와는 달리 금속판(10)으로부터 공급되는 연료 가스가 누출되는 것을 방지하는 것 이외에도, 단전지(30)를 고정하는 효과를 동시에 제공하는 것이다.
본 발명에서 사용되는 밀봉재는 고온형 유리 밀봉재인 것이 바람직하다. 다만, 본 발명은 금속판(10)의 구조적 형상 등이 주요한 기술로서, 유리 밀봉재의 성분 및 조성비에 대해서는 권리범위가 제한되는 것은 아니므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명은 단전지(30)와 금속판(10)을 금속 페이스트층(20)으로 접합시키는 구성을 추가할 수 있다. 종래의 고체산화물 연료전지의 경우에, 단전지(30)를 지지시키기 위하여 금속 지지체를 제작하고, 이러한 금속 지지체에 단전지(30)를 접합시키고, 금속 지지체가 금속판(10)에 접합되는 것이 일반적이었다.
또한, 단전지(30)와 금속 지지체를 접합하는 경우에는 슬러리와 같은 접합재를 사용하였다.
본 발명의 핵심은 슬러리와 같은 접합재를 금속 페이스트로 대체함과 동시에, 금속 지지체의 기능까지 함께 수행하게 함으로써 제작 공정을 절감하는 효과까지 제공하는 것이다. 특히, 금속 페이스트층을 고온 소결의 방법으로 형성하는 과정에서, 금속 페이스트층에 미세 기공을 형성케 하여 금속판에서 연료극으로의 연료 공급 효율을 향상시키고 있다.
또한, 금속 페이스트층(20)을 형성하는 과정에서, 금속판(10)의 관로(11)를 피하여 금속 페이스트를 코팅함으로써, 관로(11)와 연료극(31) 사이를 빈 공간으로 형성케 하여 연료 공급 효율을 향상시키는 것을 주요한 기술적 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예인 금속 페이스트 지지형 연료전지의 금속판에 금속 페이스트를 코팅한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예인 금속 페이스트 지지형 연료전지의 단면도를 보여준다.
도 3 및 도 4에서의 관로(11)는 도 2에서의 관로(12)와 유사한 개념으로 볼 수 있다.
본 발명에 의한 연료전지는 연료가 흐르는 관로(11)가 형성되는 금속판(10)과, 연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와, 금속판(10)과 단전지(30)를 접합시키는 금속 페이스트층(20)을 포함한다.
이를 제조하는 방법은 금속판(10)의 표면에 관로(11)를 피하여 금속 페이스트층(20)을 코팅하는 제1 단계와, 금속 페이스트층(20)의 상측에 단전지(30)를 위치시키는 제2 단계와, 금속 페이스트층(20)을 고온 소결 방법에 의해 소결시켜 금속판(10)과 단전지(30)를 접합시키고, 관로(11)와 단전지(30) 사이에는 공간부(21)를 형성하는 제3 단계를 포함한다.
금속판(10)은 알루미늄, 티타늄, 니오븀, 크롬, 주석, 몰리브덴, 아연 및 스테인레스 스틸로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 또는 2종 이상의 금속의 합금을 사용하는 것이 바람직하다.
제1 단계에서, 금속 페이스트를 금속판(10)의 표면에 코팅하는 과정은 시브(seive)를 이용하여 스크린 인쇄를 하는 것이 바람직하나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 이 때 시브는 200 ± 50 메쉬인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
금속판(10)과 단전지(30)는 금속 페이스트에 의하여 고온소결에 의하여 형성되는 것이 바람직하다. 고온소결방법은 금속 페이스트를 소결시키는 것으로 공기분위기 또는 환원분위기가 가능한 소결로 내에서 수행된다. 공기분위기란 소결로 내에 공기가 공급된 상태를 가리키고, 환원분위기란 소결로 내에 수소, 질소, 아르곤 등의 환원가스가 공급된 상태를 가리킨다.
금속 페이스트층(20)은 Ag 페이스트 또는 Ni 페이스트인 것이 바람직하며, 이 경우, 소결 온도는 800℃ 내지 1050℃ 정도인 것이 바람직하다. 소결 온도가 1050℃를 초과하는 경우에는 분리판용 금속 기재가 산화되거나 변형될 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 800℃ 이하인 경우에는 페이스트층을 형성하기가 어렵다.
소결 시간은 1 내지 12시간 동안 실시되는 것이 바람직하다. 소결 시간이 1 시간 미만인 경우에는 패이스트층을 형성하기가 어렵고, 12 시간을 초과하는 경우에는 금속판의 금속 기재가 산화되거나 변형될 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명의 핵심은 소결 공정을 통해 금속 페이스트층(20)에 다수의 미세 기공(23)이 형성되도록 하는 것이다. 도 4에서는 미세 기공(23)이 직선의 관형으로 도시되어 있으나, 실질적으로는 다수의 포어(pore)가 연결된 형상으로 불규칙하게 미세 기공(23)이 형성된다. 이러한 미세 기공(23)을 통해 금속판(10)의 연료가 단전지(30)로의 이동되는 효율을 향상시킬 수 있다.
따라서 금속 페이스트는 소결 공정에서 제거될 수 있는 첨가제를 함유하는 것이 바람직하며, 제거되는 첨가제의 공간이 이러한 미세 기공(23)을 증대시키는 데 영향을 준다.
또한, 본 발명은 금속판(10)의 관로(11)를 피하여 금속 페이스트층(20)을 형성하므로, 소결된 페이스트층(20)에는 관로(11)와 단전지(30) 사이에 빈 공간이 공간부(21)가 형성된다. 관로(11)를 흐르는 연료가 아무런 막힘없이 직접 단전지(30)로 공급되어 연료 공급 효율을 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 금속판(10)의 관로와 단전지(30) 사이에 공간부(21)를 형성함과 동시에, 금속 페이스트층(20)을 통해 단전지(30)를 금속판(10)에 접합시키는 것을 주요 특징으로 한다.
본 발명에 의한 금속 페이스트 지지형 연료전지의 구조에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에 의한 금속 페이스트 지지형 연료전지는 연료가 흐르는 관로(11)가 형성되는 금속판(10)과, 연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와, 금속판(10)과 단전지(30)를 접합시키는 기능을 수행하는 금속 페이스트층(20)을 포함한다.
금속 페이스트층(20)은 다수의 미세 기공이 형성되어 있고, 특히, 관로(11)와 상기 단전지(30) 사이에는 공간부(21)가 형성되어 있어, 관로(11)와 단전지(30)를 막는 층이 없는 것이 특징이다.
이러한 금속 페이스트층(20)을 도입하는 경우에는, 금속판(10)에 측벽(13)으로 둘러쌓여 단전지(30)가 수용되는 공간인 수용부(16)와, 수용부(16)의 저면을 형성하고 단전지(30)가 안착되는 안착부(15)를 형성하는 제1 단계와, 금속판(10)에 측벽(13)과 안착부(15) 사이에 제공되고 안착부(15)보다 더 낮은 저면을 가지도록 형성되는 홈(14)을 형성하는 제2 단계와, 안착부(15)의 표면에 금속 페이스트층(20)을 코팅하는 제3 단계와, 단전지(30)와 측벽(13) 사이에 틈(18)이 형성된 채, 단전지(30)를 금속 페이스트층(20)에 안착시키는 제4 단계와, 금속 페이스트층(20)에 다수의 기공이 형성되도록 소결시키면서 금속판(10)과 단전지(30)를 접합시키는 제5 단계와, 틈(18)을 통해 홈(14)을 포함하여 단전지(30)와 금속판(10) 사이에 밀봉재를 삽입하여, 단전지(30)를 고정시키는 제6 단계를 포함한다.
이 경우, 금속판(10)은 연료가 제공되는 관로(11, 12)를 포함하고, 금속 페이스트층(20)은 관로(12)와 단전지(30) 사이에 공간부가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 도 2에는 이러한 공간부에 대한 표시를 하지 않았으나, 도 3 및 도 4에서 설명한 내용과 동일하다.
금속 페이스트층(20)을 도입한 연료전지의 경우에는, 측벽(13)으로 둘러쌓여 단전지(30)가 수용되는 공간인 수용부(16)와, 수용부(16)의 저면을 형성하고 단전지(30)가 안착되는 안착부(15)와, 측벽(13)과 안착부(15) 사이에 제공되고 안착부(15)보다 더 낮은 저면을 가지도록 형성되는 홈(14)을 포함하는 금속판(10)과, 단전지(30)와 안착부(15) 사이에 제공되는 금속 페이스트층(20)과, 홈(14)을 포함하여 단전지(30)와 금속판(10) 사이에 제공되어, 단전지(30)를 금속판(10)에 대해 고정시키는 밀봉재(40)를 포함한다. 이때, 단전지(30)와 금속판(10)의 측벽(13) 사이에는 틈(18)이 제공되고, 틈(18)을 통해 밀봉재(40)가 홈(14)에 채워지는 것이 특징이다.
본 발명은 상기와 같은 실시예에 의해 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적인 사상을 가지고 있다면 모두 본 발명의 권리범위에 해당된다고 볼 수 있으며, 본 발명은 특허청구범위에 의해 권리범위가 정해짐을 밝혀둔다.
10 : 금속판, 11, 관로, 20 : 금속 페이스트층, 21 : 공간부, 23 : 미세기공, 30 : 단전지, 31 : 연료극, 32 : 전해질층, 33 : 공기극

Claims (7)

  1. 연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와,
    측벽(13)으로 둘러쌓여 상기 단전지(30)가 수용되는 공간인 수용부(16)와, 상기 수용부(16)의 저면을 형성하고 상기 단전지(30)가 안착되는 안착부(15)와, 상기 측벽(13)과 상기 안착부(15) 사이에 제공되고 상기 안착부(15)보다 더 낮은 저면을 가지도록 형성되는 홈(14)을 포함하며, 연료가 제공되는 관로(12)가 형성된 금속판(10)과,
    상기 단전지(30)와 상기 안착부(15) 사이에 제공되는 금속 페이스트층(20)과,
    상기 홈(14)을 포함하여 상기 단전지(30)와 상기 금속판(10) 사이에 제공되어, 상기 단전지(30)를 상기 금속판(10)에 대해 고정시키는 밀봉재(40)를 포함하고,
    상기 단전지(30)와 상기 금속판(10)의 측벽(13) 사이에는 틈(18)이 제공되고, 상기 틈(18)을 통해 밀봉재(40)가 상기 홈(14)에 채워지며, 상기 금속 페이스트층(20)은 다수의 기공이 형성되도록 소결되어, 상기 관로(12)를 제외한 영역에서 상기 금속판(10)과 상기 단전지(30)를 접합시키며,
    상기 관로(12)와 상기 단전지(30) 사이에는 공간부(21)가 형성된 것을 특징으로 하는, 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정한 연료전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와, 상기 단전지(30)를 수용할 수 있는 공간을 가지며, 연료가 제공되는 관로가 형성된 금속판(10)과, 상기 금속판(10)에 대하여 상기 단전지(30)를 고정시키는 밀봉재(40)를 포함하는, 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정하는 연료전지 제조 방법에 있어서,
    상기 금속판(10)에 측벽(13)으로 둘러쌓여 상기 단전지(30)가 수용되는 공간인 수용부(16)와, 상기 수용부(16)의 저면을 형성하고 상기 단전지(30)가 안착되는 안착부(15)를 형성하는 단계와,
    상기 금속판(10)에 상기 측벽(13)과 상기 안착부(15) 사이에 제공되고 상기 안착부(15)보다 더 낮은 저면을 가지도록 형성되는 홈(14)을 형성하는 단계와,
    상기 안착부(15)의 표면에 상기 관로를 피하여 금속 페이스트층(20)을 코팅하는 단계와,
    상기 단전지(30)와 상기 측벽(13) 사이에 틈(18)이 형성된 채, 상기 단전지를(30) 상기 금속 페이스트층(20)에 안착시키는 단계와,
    상기 금속페이스트층(20)에 다수의 기공이 형성되도록 소결시키면서 상기 금속판(10)과 상기 단전지(30)를 접합시키는 단계와,
    상기 틈(18)을 통해 상기 홈(14)을 포함하여 상기 단전지(30)와 상기 금속판(10) 사이에 밀봉재를 삽입하여, 상기 단전지(30)를 고정시키는 단계를 포함하며, 상기 관로(12)와 상기 단전지(30) 사이에는 공간부(21)가 형성된 것을 특징으로 하는,
    밀봉재를 이용하여 단전지를 고정하는 연료전지 제조방법.
  7. 삭제
KR1020100058473A 2010-06-21 2010-06-21 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정한 연료전지 및 그 제조 방법 KR101230090B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100058473A KR101230090B1 (ko) 2010-06-21 2010-06-21 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정한 연료전지 및 그 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100058473A KR101230090B1 (ko) 2010-06-21 2010-06-21 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정한 연료전지 및 그 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110138539A KR20110138539A (ko) 2011-12-28
KR101230090B1 true KR101230090B1 (ko) 2013-02-05

Family

ID=45504338

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100058473A KR101230090B1 (ko) 2010-06-21 2010-06-21 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정한 연료전지 및 그 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101230090B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040115509A1 (en) * 2002-09-25 2004-06-17 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell
US20040170880A1 (en) * 2002-10-17 2004-09-02 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell separator assembly with diffusion layer, manufacturing method therefor, fuel cell unit, and fuel cell stack

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040115509A1 (en) * 2002-09-25 2004-06-17 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell
US20040170880A1 (en) * 2002-10-17 2004-09-02 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell separator assembly with diffusion layer, manufacturing method therefor, fuel cell unit, and fuel cell stack

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110138539A (ko) 2011-12-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2008354733B2 (en) Integrated seal for high-temperature electrochemical device
US10164286B2 (en) Separator-fitted single fuel cell inducing joint portion with protruding portion and sealing portion, and fuel cell stack
CN106374120A (zh) 一种自密封平板状固体氧化物燃料电池/电解池的结构
US7632593B2 (en) Bipolar plate supported solid oxide fuel cell with a sealed anode compartment
JP2015088265A (ja) セパレータ付燃料電池単セル，燃料電池スタック，およびその製造方法
US20160056518A1 (en) Energy conversion cell having an electrochemical conversion unit
US20200243875A1 (en) Porous molding for an electrochemical module
JP5727431B2 (ja) セパレータ付燃料電池セル，および燃料電池
CN113097552A (zh) 一种连接板及固体氧化物燃料电池/电解池电堆
JP6118230B2 (ja) 燃料電池スタック
KR101180844B1 (ko) 접촉구조와 적어도 하나의 접촉구조로부터 연료셀스택의 결합방법
KR101230090B1 (ko) 밀봉재를 이용하여 단전지를 고정한 연료전지 및 그 제조 방법
KR20120033661A (ko) 금속지지체식 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법
KR101155747B1 (ko) 금속 페이스트를 이용한 연료전지 및 그 제조방법
JP7317082B2 (ja) セパレータ付電気化学反応単セル、および、電気化学反応セルスタック
KR101245552B1 (ko) 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법
JP2004247173A (ja) 燃料電池用容器および燃料電池
JP2014049322A (ja) セパレータ付燃料電池セル，および燃料電池
CN112139622A (zh) 一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电芯的阳极密封方法
JP2009135051A (ja) 固体酸化物燃料電池の端電池及び分離板間の結合構造
JP2017224524A (ja) 集電部材−電気化学反応単セル複合体および電気化学反応セルスタック
JP2013026221A (ja) ろう付けインターコネクトを有する燃料電池及びその組立方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160115

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161227

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180102

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190107

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200106

Year of fee payment: 8