KR101799191B1 - 연료전지용 가스 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택유닛 - Google Patents

연료전지용 가스 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택유닛 Download PDF

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Abstract

공기 유로를 제공하는 제1 면 및 상기 제1 면에 대하여 반대 면에 위치하며 연료 유로를 제공하는 제2 면을 포함하는 전도성 플레이트, 및 상기 제1 면 상에 적층되는 연료전지용 단전지와 중첩(overlap)되도록 형성되는 실버-글래스(silver-glass) 복합층을 포함하는 연료전지용 가스 분리판이 제공될 수 있다.

Description

연료전지용 가스 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택유닛{Gas separator for fuel cell and fuel cell stack unit comprising thereof}
본 발명은 연료전지용 가스 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택유닛에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 공기 유로를 제공하는 제1 면 및 상기 제1 면과 반대 면에 위치하고 연료 유로를 제공하는 제2 면을 포함하여 공기 및 연료의 분리가 용이하고, 전기 전도도 및 열적 신뢰성이 우수한 기능층을 포함하는 연료전지용 가스 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택유닛에 관련된 것이다.
연료전지는 연료와 산소가 전기화학적으로 반응함에 따른 자유에너지의 변화를 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 이온 전도성 산화물을 전해질로 사용하는 고체산화물 연료전지는 약 600~1000℃의 고온에서 작동되어 전기에너지와 열에너지를 생산함으로써, 에너지 변환효율이 우수한 것으로 알려져 있다. 고온에서의 작동으로 인해 천연가스, 석탄가스 등과 같은 다양한 원료를 연료로 사용할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 고체 전해질과 고체 전극을 사용함으로써, 재료의 부식 및 손실 등과 같은 문제가 없어 장기간 사용할 수 있는 장점이 있다.
최근 고체산화물 연료전지의 효율을 증가시키기 위해, 연료전지 스택의 단위를 이루는 금속 분리판의 구조 및 재료에 대한 관심이 높아지고 있으며, 특히, 상기 연료전지의 집전효율을 개선할 수 있는 공기극 집전체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
예를 들어, 대한민국 특허 공개 공보 KR1020150076408A (출원인: 재단법인 포항산업과학연구원, 출원번호 KR1020130164503A)에는, 기공을 갖는 다공성의 금속 폼(foam)으로 형성되고, 상기 금속 폼은 CoNi, CoMn, 및 CuMn으로 이루어지는 2원계 합금 중 1종 또는 2종 이상 또는 CoNiMn 및 CoCuMn으로 이루어지는 3원계 합금 중 1종 또는 2종으로 이루어진 공기극 집전체로, 전기 전도도가 우수한 금속물질을 사용하여 3차원 망상구조를 갖는 공기극 집전체를 고체산화물 연료전지에 적용함으로써, 운전 후에도 우수한 집전성능을 갖는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조 기술이 개시되어 있다.
고체산화물 연료전지의 집전효율 향상과 더불어, 고체산화물 연료전지의 신뢰성 향상 및 수명 증가를 위해, 고체산화물 연료전지 내 열충격에 의한 물리적 손상을 최소화하고, 고체산화물 연료전지 스택구조 내에서 인접한 단위전지들 사이의 전자이동특성을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
대한민국 특허 공개 공보 KR1020150076408A
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 연료전지의 열충격에 의한 물리적 변형을 감소시키는 연료전지용 가스 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택유닛을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 연료전지에 공급되는 연료 및 공기의 분리 효율을 향상시키는 연료전지용 가스 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택유닛을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 연료전지의 전기 전도도를 향상시키는 연료전지용 가스 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택유닛을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 표면 저항이 감소된 연료전지용 가스 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택유닛을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 공정 비용이 감소된 연료전지용 가스 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택유닛을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 기계적 강도 특성이 우수한 연료전지용 가스 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택유닛을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 연료전지용 가스 분리판을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지용 가스 분리판은, 공기 유로를 제공하는 제1 면 및 상기 제1 면에 대하여 반대 면에 위치하며 연료 유로를 제공하는 제2 면을 포함하는 전도성 플레이트, 및 상기 제1 면 및 제2 면 중 적어도 한 면 상에 적층되는 연료전지용 단전지와 중첩(overlap)되도록 형성되는 실버-글래스(silver-glass) 복합층을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실버-글래스 복합층은, 상기 제1 면 상에 적층되는 연료전지용 단전지의 공기극과 마주보는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 플레이트는, 상기 제2 면에 대향하도록 적층되는 연료전지용 단전지와 중첩되도록 형성되는 실버-글래스 복합층을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지용 가스 분리판은, 상기 실버-글래스 복합층의 주변부에 형성되고, 상기 제1 면 상에 적층되는 연료전지용 단전지와 비중첩(non-overlap)되도록 형성되는 글래스 코팅층을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 플레이트와 실버-글래스 복합층 간의 열팽창계수 값의 차이는, 상기 전도성 플레이트와 실버 코팅층 간의 열팽창계수 값의 차이보다 작은 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 면의 상기 공기 유로는, 외부로부터 공기를 유입받는 제1 개구부, 및 상기 제1 개구부에 대향하고 외부로 공기를 유출하는 제2 개구부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 개구부와 상기 제1 면 상에 형성된 상기 실버-글래스 복합층 사이의 상기 전도성 플레이트는 제1 및 제2 채널을 포함하며, 외부로부터 상기 제1 개구부를 통해 유입된 상기 공기는, 상기 제1 면의 상기 제1 채널, 상기 실버-글래스 복합층, 및 상기 제2 채널을 거쳐 상기 제2 개구부를 통해 외부로 유출되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 면의 상기 연료 유로는, 외부로부터 연료를 유입받는 제3 개구부, 및 상기 제3 개구부에 대향하고 외부로 연료를 유출하는 제4 개구부를 포함하고, 상기 제3 내지 제4 개구부와 상기 제2 면 상에 형성된 상기 실버-글래스 복합층 사이의 상기 전도성 플레이트는 제3 및 제4 채널을 포함하며, 외부로부터 상기 제3 개구부를 통해 유입된 상기 연료는, 상기 제2 면의 상기 제3 채널, 상기 실버-글래스 복합층, 및 상기 제4 채널을 거쳐 상기 제4 개구부를 통해 외부로 유출되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 내지 제4 채널은, 오목부 및 볼록부를 포함하는 요철 모양의 구조가 주기적으로 반복되는 형태인 것을 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 연료전지 스택유닛을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지 스택유닛은, 제1 면 및 상기 제1 면에 대하여 반대 면에 위치하는 제2 면을 포함하는 전도성 연료전지용 가스 분리판, 상기 연료전지용 가스 분리판의 제1 면 상(上)에 적층된, (n+1)(n은 양의 정수)번째 연료전지용 단전지, 및 상기 연료전지용 가스 분리판의 제2 면 하(下)에 적층된, n번째 연료전지용 단전지를 포함하되, 상기 제1 면은, 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지로 공기를 공급하는 유로를 제공하며, 상기 제1 면에는, 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지와 중첩되는 중앙 영역에 실버-글래스 복합층이 형성되며, 상기 제2 면은, 상기 n번째 연료전지용 단전지로 연료를 공급하는 유로를 제공하며, 상기 제2 면에는, 상기 n번째 연료전지용 단전지와 중첩되는 중앙 영역에 실버-글래스 복합층이 형성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지 스택유닛은, 상기 실버-글래스 복합층의 주변부에 형성되고, 상기 제1 면 상에 적층되는 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지, 및 상기 제2 면 하에 적층되는 상기 n번째 연료전지용 단전지와 비중첩되는 영역에 형성되는 글래스 코팅층을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지 스택유닛은, 상기 실버-글래스 복합층의 열팽창계수가 실버 코팅층의 열팽창계수보다 작은 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지 스택유닛은, 상기 전도성 연료전지용 가스분리판 상에 위치하고 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지가 삽입되는 금속지지체(metal support), 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지가 삽입된 상기 금속지지체 상에 위치하는 가스켓 유닛(gasket unit)을 더 포함하되, 상기 금속지지체 및 상기 가스켓 유닛은 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지와 중첩되는 위치에 제1 및 제2 전류집전부를 포함하고, 상기 금속지지체 및 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지의 두께가 상응하는 높이를 가짐으로써, 상기 가스켓 유닛이 상기 금속지지체 및 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지를 함께 가압하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지 스택유닛의 상기 전도성 연료전지용 가스분리판은, 공기를 공급하는 유로를 제공하는 제1 및 제2 개구부와 연료를 공급하는 유로를 제공하는 제3 및 제4 개구부를 포함하고, 상기 금속지지체 및 상기 가스켓 유닛은, 상기 전도성 연료전지용 가스분리판의 상기 제1 및 제2 개구부와 연결되는 공기이동용 개구부, 및 상기 전도성 가스분리판의 상기 제3 및 제4 개구부와 연결되는 연료이동용 개구부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 공기 유로를 제공하는 제1 면 및 상기 제1 면에 대하여 반대 면에 위치하며 연료 유로를 제공하는 제2 면을 포함하는 전도성 플레이트, 및 상기 제1 면 상에 적층되는 연료전지용 단전지와 중첩되도록 형성되는 실버-글래스 복합층을 포함하는 연료전지용 가스 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지용 스택유닛이 제공될 수 있다.
상기 전도성 플레이트의 상기 제1 내지 제4 개구부를 통해 상기 제1 및 제2 면을 따라 상기 공기 및 상기 연료가 용이하게 분리되어, 상기 연료전지용 단전지에 공급되어 상기 연료전지 스택유닛의 전지 효율이 향상될 수 있다.
또한, 상기 실버-글래스 복합층을 상기 전도성 플레이트의 제1 및 제2 면의 상 및 하에 적층되는 상기 연료전지용 단전지와 중첩되는 위치에 상기 전도성 플레이트에 치밀하게 형성하는 경우, 상기 전도성 플레이트와 상기 실버-글래스 복합층의 열팽창계수 값의 차이를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 상기 연료전지의 지속적인 사용 및 열 사이클에 의해 상기 전도성 플레이트와 상기 기능층이 분리되는 층간 박리 현상을 최소화할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 실버-글래스 복합층이 상기 전도성 플레이트에 치밀하게 형성되는 경우, 전지의 고온 작동으로 인해 상기 가스분리판의 표면 상에 형성된 산화물층 및 수산화물(rust)층으로 인해 표면 저항이 증가되는 것을 예방할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 실버-글래스 복합층은, 전지의 고온 작동으로 인해 상기 전도성 플레이트에서 크롬 성분이 휘발되는 것을 최소화하여, 상기 크롬 성분이 공기 중의 산소(O2)와 반응하여 생성된 상기 크롬 산화물 또는 상기 크롬 수산화물에 의해 상기 전극의 촉매반응 효율이 저하되는 것을 예방할 수 있다.
이에 따라, 상기 가스분리판 내 상기 전도성 플레이트의 전기적 및 물리적 특성이 향상된 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛이 제공될 수 있다.
또한, 상기 실버-글래스 복합층의 주변부 상에 상대적으로 값이 저렴한 글래스 코팅층을 치밀하게 접착함으로써, 제조 공정 비용이 감소된 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판의 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가스 분리판의 제1 면을 설명하기 위한 도면이다.
도 1b는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가스 분리판의 제2 면을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가스 분리판을 도 1의 A에서 A' 방향으로 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가스 분리판의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가스 분리판에 포함된 실버-글래스 복합층의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛의 평면도이다.
도 7a는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛에 대한 도 6의 B에서 B' 방향의 측면도이다.
도 7b는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛에 대한 도 6의 C에서 C' 방향의 측면도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛의 작동 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가스 분리판을 포함하는 연료전지 스택유닛을 이용한 발전용 연료전지 스택의 적용 예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상의 모양이나 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가스 분리판을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가스 분리판을 도 1의 A에서 A' 방향으로 절단한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가스 분리판의 측면도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가스 분리판에 포함된 실버-글래스 복합층의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가스 분리판(gas separator, 100)은 전도성 플레이트(10), 실버-글래스(silver-glass) 복합층(15), 및 글래스 코팅층(17)을 포함할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 상기 연료전지용 가스 분리판은 전도성 가스 분리판, 연료전지용 가스 분리판 또는 가스 분리판으로 호칭될 수 있다.
상기 전도성 플레이트(10)는, 공기 유로(11, 12)를 제공하는 제1 면(10a) 및 상기 제1 면(10a)에 대하여 반대 면에 위치하며 연료 유로(13, 14)를 제공하는 제2 면(10b)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 플레이트(10)는, 스테인레스강일 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 플레이트(10)는, 스테인레스 410(SUS410) 또는 스테인레스 430(SUS430)일 수 있다. 일 실시 예에 따르면 상기 전도성 플레이트(10)는, 적어도 일부의 크롬(Cr)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 면(10a) 상의 상기 공기 유로(11, 12)는, 외부로부터 공기를 유입받는 제1 개구부(11), 및 상기 제1 개구부에 대향하고 외부로 공기를 유출하는 제2 개구부(12)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전도성 플레이트(10)는, 상기 제1 및 제2 개구부(11, 12)와 상기 제1 면(10a) 상에 형성된 후술되는 상기 실버-글래스 복합층(15) 사이에 제1 채널(11c) 및 제2 채널(12c)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 외부로부터 상기 제1 개구부(11)를 통해 유입된 공기는, 상기 제1 면(10a)의 상기 제1 채널(11c), 상기 실버-글래스 복합층(15), 및 상기 제2 채널(12c)을 거쳐 상기 제2 개구부(12)를 통해 외부로 유출될 수 있다.
도 2에서 알 수 있듯이, 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 채널(11c, 12c)은, 오목부(19a) 및 볼록부(19b)를 포함하는 요철 모양의 구조가 주기적으로 반복되는 형태일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 채널(11c, 12c)의 상기 오목부(19a)를 통해, 상기 제1 개구부(11)를 통해 유입된 상기 공기가 상기 실버-글래스 복합층(15)을 거쳐 상기 제2 개구부(12)로 유동할 수 있다.
또한, 상기 제2 면(10b) 상의 상기 연료 유료(13, 14)는, 외부로부터 연료를 유입받는 제3 개구부(13), 및 상기 제3 개구부(13)에 대향하고 외부로 연료를 유출하는 제4 개구부(14)를 포함할 수 있다. 상기 전도성 플레이트(10)는, 상기 제1 면(10a) 상의 상기 제1 및 제2 개구부(11, 12)와 상기 실버-글래스 복합층(15) 사이에 상기 제1 및 제2 채널(11c, 12c)을 포함하는 것과 마찬가지로, 상기 제3 및 제4 개구부(13, 14)와 상기 제2 면(10b) 상에 형성된 후술되는 상기 실버-글래스 복합층(15) 사이에 제3 채널(13c) 및 제4 채널(14c)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 외부로부터 상기 제3 개구부(13)를 통해 유입된 상기 연료는, 상기 제2 면(10b)의 상기 제3 채널(13c), 상기 실버-글래스 복합층(15), 및 상기 제4 채널(14c)를 통해 외부로 유출될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제3 및 제4 채널(13c, 14c)은, 상기 제1 및 제2 채널(11c, 12c)과 마찬가지로, 상기 오목부(19a) 및 상기 볼록부(19b)를 포함하는 상기 요철 모양의 구조가 주기적으로 반복되는 형태일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제3 및 제4 채널(13c, 14c)의 상기 오목부(19a)를 통해, 상기 제3 개구부(13)를 통해 유입된 상기 연료가 상기 실버-글래스 복합층(15)을 거쳐 상기 제4 개구부(14)로 유동할 수 있다.
이와 같이, 상기 전도성 플레이트(10)의 상기 제1 내지 제4 개구부(11, 12, 13, 14)를 통해 상기 전도성 플레이트(10)의 상기 제1 및 제2 면(10a, 10b)을 따라 상기 공기 및 상기 연료는 용이하게 분리될 수 있다.
상기 실버-글래스 복합층(15)은, 상기 전도성 플레이트(10)의 상기 제1 면(10a) 상에 적층되는 연료전지용 단전지와 중첩(overlap)되는 위치인, 상기 전도성 플레이트(10)의 상기 제1 면(10a)의 중앙 영역(10c)에 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 실버-글래스 복합층(15)은, 상기 제1 면(10a) 상에 적층되는 상기 연료전지용 단전지의 공기극과 마주보는 위치에 형성될 수 있다.
또한, 상기 실버-글래스 복합층(15)은, 상기 제2 면(10b)에 대향하도록 적층되는 상기 연료전지용 단전지와 중첩되는 위치인, 상기 전도성 플레이트(10)의 상기 제2 면(10b)의 상기 중앙 영역(10c)에 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 실버-글래스 복합층(15)은, 상기 제2 면(10b) 하에 적층되는 상기 연료전지용 단전지의 연료극과 마주보는 위치에 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실버-글래스 복합층(15)은, 전기 전도도가 우수한 특성을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 전도성 플레이트(10)의 상기 제1 및 제2 면(10a, 10b)의 상기 연료전지용 단전지와 중첩되는 위치에 형성된 상기 실버-글래스 복합층(15)은, 전기적으로 연결된 상기 연료전지용 단전지들 사이에서의 전자 이동 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 전기 전도도가 향상된 연료전지가 제공될 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 실버-글래스 복합층(15)은, 상기 제1 면(10a) 및 상기 제2 면(10b)에 모두 형성될 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르며, 상기 실버-글래스 복합층(15)은, 상기 제1 면(10a) 및 상기 제2 면(10b) 중 적어도 한 면 상에 형성될 수 있다.
또한, 상기 실버-글래스 복합층(15)에 포함된 상기 글래스 물질이 상기 실버와 상기 전도성 플레이트(10)에 포함된 상기 스테인레스강의 열팽창율 차이를 완화해주므로, 이에 따라, 전지의 열화에 대한 상기 연료전지의 열적 내구성은 향상될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 실버-글래스 복합층(15)과 상기 전도성 플레이트(10)의 열팽창계수 값의 차이는, 실버 코팅층과 상기 전도성 플레이트(10)의 열팽창계수 값의 차이보다 작을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 플레이트(10)가 상기 스테인레스 430(SUS430)를 포함하는 경우, 상기 스테인레스 430(SUS430)의 열팽창계수 값은 11.4×10-6/℃이고, 상기 실버-글래스 복합층(15)에 포함된 실버(silver) 및 글래스(glass)의 열팽창계수 값은 각각 18.9×10-6/℃ 및 ~10×10-6/℃일 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 상기 연료전지용 단전지들 사이에서의 상기 전자의 이동을 용이하게 하기 위해, 상기 전도성 플레이트(10)의 상기 중앙 영역에 전기 전도도가 우수한 상기 실버를 포함하는 기능층을 형성하는 경우, 상기 전도성 플레이트(10)의 전기 전도도 특성은 향상될 수 있으나, 상기 기능층과의 열팽창계수 값의 차이가 커, 전지의 열화에 의해 상기 전도성 플레이트(10)와 상기 기능층이 분리되는 층간 박리 현상이 발생될 수 있다.
또한, 상기 전지의 높은 작동온도로 인해 전도성 플레이트(10)에 포함된 크롬(Cr) 성분이 휘발되는 경우, 휘발된 상기 크롬 성분이 공기 중의 산소(O2)와 반응하여 생성된 크롬 산화물(Cr2O3) 또는 크롬 수산화물(Cr(OH)3)이 전극의 촉매반응 사이트에 증착되어 상기 전극의 촉매반응 효율을 낮출 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 전도성 플레이트(10)의 표면이 상기 공기극으로부터 공급된 공기 중의 산소(O2)와 반응함으로써, 상기 공기극에 접해있는 상기 전도성 플레이트(10)의 표면 상에는 금속 산화막이 형성될 수 있다. 또한, 상기 전도성 플레이트(10)의 표면이 상기 연료극으로부터 공급된 수소 및 산소이온과 반응함으로써, 상기 연료극에 접해있는 상기 전도성 플레이트(10)의 표면 상에는 금속 수산화물이 형성될 수 있다. 상기 전도성 플레이트(10)의 표면 상에 형성된 상기 금속 산화막 및 상기 금속 수산화물로 인해, 상기 전도성 플레이트(10)의 표면 저항이 증가되고, 전자의 이동특성이 저하됨으로써 상기 전지의 효율이 감소될 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 실버와 상기 글래스를 모두 포함하는 상기 실버-글래스 복합층(15)을 상기 기능층으로 하여 상기 전도성 플레이트(10)에 치밀하게 접착시키는 경우, 상기 전도성 플레이트(10)와 상기 실버-글래스 복합층(15)의 열팽창계수 값의 차이를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 상기 연료전지의 지속적인 사용 및 열 사이클에 의해 발생하는 전지의 열화에 의해 상기 전도성 플레이트(10)와 상기 기능층이 분리되는 층간 박리 현상을 최소화할 수 있다.
또한, 상기 실버-글래스 복합층(15)은, 전지의 고온 작동으로 인해 상기 전도성 플레이트(10)에서 상기 크롬 성분이 휘발되는 것을 최소화하여, 상기 크롬 성분이 공기 중의 산소(O2)와 반응하여 생성된 상기 크롬 산화물 또는 상기 크롬 수산화물에 의해 상기 전극의 촉매반응 효율이 저하되는 것을 예방할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 실버-글래스 복합층(15)은, 상기 공기극에 접해있는 상기 전도성 플레이트(10)의 표면이 공기 중의 산소와 반응하여 산화되는 것을 최소화하고, 상기 연료극에 접해있는 상기 전도성 플레이트(10)의 표면이 상기 연료극의 수소 및 산소이온과의 반응에 의해 생성된 물과 반응하여 녹을 생성시키는 것을 최소화할 수 있다. 다시 말해서, 상기 실버-글래스 복합층(15)의 적용으로 인해, 상기 전도성 플레이트(10)의 전도 특성이 우수하게 유지될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실버-글래스 복합층(15)은, 스크린 프린팅(screen printing) 공정을 통해, 상기 전도성 플레이트(10)의 상기 중앙 영역(10c) 상에 실버-글래스 페이스트(silver-glass paste)가 일정한 두께로 도포된 후, 건조 및 열처리되어 제조될 수 있다. 도 4에서 알 수 있듯이, 상기 실버-글래스 페이스트 제조 방법은, 페이스트용 실버-글래스 용액 제조 단계, 및 실버-글래스 페이스트 제조 단계를 포함할 수 있다.
상기 페이스트용 실버-글래스 용액 제조 단계는, 글래스 분말에 대한 볼밀링(ball milling) 단계 및 실버 믹싱(mixing) 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 글래스 분말은 용매인 에탄올(ethanol)에 첨가된 후, 24시간 동안 볼밀링될 수 있다. 이후, 상기 글래스 분말과 실버 분말의 부피 비가 1:1이 되도록 상기 실버 분말이 첨가되어 상기 글래스 분말과 믹싱될 수 있다. 이때, 상기 글래스 분말 및 상기 실버 분말이 서로 percolation되어, 상기 페이스트용 실버-글래스 용액이 제조될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 글래스 분말은, SiO2, B2O3, BaO, Al2O3 중 적어도 하나를 포함하는 조성일 수 있다. 예를 들어, 상기 글래스 분말은, SiO2, B2O3, BaO 및 Al2O3를 포함할 수 있다.
상기 실버-글래스 페이스트 제조 단계는, 페이스트용 솔루션(solution) 믹싱 단계 및 용매 휘발 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 글래스 분말, 상기 실버 분말, 및 상기 에탄올이 혼합된 용액에 페이스트용 솔루션이 첨가된 후, 원심분리형 믹서에 의해 상기 물질들이 믹싱되어 균질화될 수 있다. 상기 원심분리형 믹서를 이용하여 원하는 점도에 도달할 때까지 상기 용매를 휘발시킴으로써 상기 실버-글래스 페이스트가 제조될 수 있다.
상기 글래스 코팅층(17)은, 상기 실버-글래스 복합층(15)의 주변부(10e)에 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 글래스 코팅층(17)은 상기 제1 면(10a) 및 상기 제2 면(10b) 상에 적층되는 상기 연료전지용 단전지와 비중첩(non-overlap)되는 위치에 형성될 수 있다. 상기 실버-글래스 복합층(15)의 상기 주변부(10e)는, 상기 제1 및 제2 면(10a, 10b) 상에 적층되는 상기 연료전지용 단전지들과 전기적으로 연결되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 및 제2 면(10a, 10b)의 상기 주변부(10e) 상에 상기 실버는 포함하지 않고, 상기 실버보다 상대적으로 값이 저렴한 상기 글래스만을 포함하는 상기 글래스 코팅층(17)이 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 가스 분리판(100)의 제조 공정 비용을 감소시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 전도성 플레이트(10)와 치밀하게 접착된 상기 글래스 코팅층(17)은, 상기 실버-글래스 복합층(15)과 마찬가지로, 상기 연료전지용 단전지의 상기 공기극 및 상기 연료극과 접하는 상기 전도성 플레이트(10)의 표면 상에 산화물층 또는 수산화물층이 생성되는 것을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 글래스 코팅층(17)은, 상기 크롬 성분이 휘발되는 것을 최소화하여, 상기 크롬 성분의 상기 공기극으로의 유입을 감소시킴으로써, 상기 공기극의 촉매 특성이 저하되는 것을 최소화할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 글래스 코팅층(17)은, 상기 실버-글래스 복합층(15)과 마찬가지로, 상기 스크린 프린팅 공정을 통해, 상기 전도성 플레이트(10)의 상기 주변부(10e) 상에 글래스 페이스트(glass paste)가 일정한 두께로 도포된 후, 건조 및 열처리되어 제조될 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 전도성 플레이트(10)의 상기 제1 및 제2 면(10a, 10b) 상의 상기 중앙영역(10c)에는, 상기 실버-글래스 복합층(15)이 형성될 수 있고, 상기 주변부(10e)에는 상기 글래스 코팅층(17)이 형성될 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 중앙영역(10c)에는 상기 전도성 플레이트(10)의 상기 중앙영역(10c) 상에 적층되는 상기 연료전지용 단전지들 사이에서 전자의 이동을 용이하게 하기 위해 상기 실버의 코팅이 요구될 수 있다. 하지만, 상기 실버와 상기 전도성 플레이트(10)의 열팽창계수 값 차이로 인한 층간 박리를 최소화하기 위해 상기 중앙영역(10c)에는 상기 실버-글래스 복합층(15)이 코팅될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 분리판을 포함하는 연료전지 스택유닛이 설명된다. 본 발명의 실시 예에 따른 가스 분리판을 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 가스 분리판의 상기 제1 및 제2 면 상에 상기 연료전지용 단전지들이 적층될 수 있다. 또한, 상기 가스 분리판의 상기 제1 및 제2 면 상에 상기 연료전지용 단전지들이 적층된 구조는, 복수회 반복되어 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛이 제조될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛의 평면도이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛의 측면도이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛의 작동 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다. 도 5 내지 도 8에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛을 설명함에 있어서, 앞서 도 1 내지 도 4에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 가스 분리판에 대한 설명에 중복되는 부분에 대해서는 도 1 내지 도 4를 참조하기로 한다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛은, 전도성 연료전지용 가스 분리판(100), 금속지지체(metal support, 130), 연료전지용 단전지(140), 및 가스켓 유닛(gasket unit, 150)을 포함할 수 있다.
상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)은, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 본 발명의 실시 예에 따른 가스 분리판(100)과 동일할 수 있다. 이에 따라, 전도성 상기 가스 분리판(100)은, 상기 전도성 플레이트(10), 상기 실버-글래스 복합층(15), 및 상기 글래스 코팅층(17)을 포함할 수 있다.
상기 전도성 플레이트(10)는, 상기 공기 유로를 제공하는 상기 제1 및 제2 개구부(11, 12)를 포함하는 제1 면(10a), 및 상기 제1 면(10a)에 대하여 반대 면에 위치하며 상기 연료 유로를 제공하는 상기 제3 및 제4 개구부(13, 14)를 포함하는 상기 제2 면(10b)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 플레이트(10)는, 스테인레스강일 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면 상기 전도성 플레이트(10)는, 적어도 일부의 상기 크롬을 포함할 수 있다.
상기 전도성 플레이트(10)는, 상기 제1 면(10a) 상에 상기 공기 유로를 제공하는 상기 제1 및 제2 개구부(11, 12), 및 상기 제1 및 제2 채널(11c, 12c)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 외부로부터 상기 제1 개구부(11)를 통해 유입된 공기는, 상기 제1 면(10a)의 상기 제1 채널(11c), 상기 실버-글래스 복합층(15), 및 상기 제2 채널(12c)을 거쳐 상기 제2 개구부(12)를 통해 외부로 유출될 수 있다.
또한, 상기 전도성 플레이트(10)는, 상기 제2 면(10b) 상에 상기 연료 유로를 제공하는 상기 제3 및 제4 개구부(13, 14) 및 상기 제3 및 제4 채널(13c, 14c)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 외부로부터 상기 제3 개구부(13)를 통해 유입된 상기 연료는, 상기 제2 면(10b)의 상기 제3 채널(13c), 상기 실버-글래스 복합층(15), 및 상기 제4 채널(14c)를 통해 외부로 유출될 수 있다. 다시 말해서, 상기 전도성 플레이트(10)의 상기 제1 내지 제4 개구부(11, 12, 13, 14)를 통해 상기 제1 및 제2 면(10a, 10b)을 따라 상기 공기 및 상기 연료는 용이하게 분리되어, 상기 연료전지용 단전지(140)에 공급될 수 있다.
상기 실버-글래스 복합층(15)은, 상기 전도성 플레이트(10)의 상기 제1 및 제2 면(10a, 10b) 상에 적층되는 상기 연료전지용 단전지들(140)과 중첩되는 위치에 상기 전도성 플레이트(10)의 상기 제1 및 제2 면(10a, 10b)의 중앙 영역에 형성될 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 실버-글래스 복합층(15)은, 상기 실버-글래스 복합층(15)에 포함된 상기 실버 물질에 의해 전기 전도도 특성이 우수하여 상기 연료전지용 단전지들 사이에서의 전자의 이동 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 실버와 상기 글래스를 모두 포함하는 상기 실버-글래스 복합층(15)을 사용하는 경우, 상기 전도성 플레이트(10)와 상기 실버-글래스 복합층(15)의 열팽창계수 값의 차이가 감소되어, 상기 전지의 고온에서의 운전 및 열적 사이클이 있는 운전으로 인해 발생하는 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100) 및 상기 실버-글래스 복합층(15) 사이에서의 층간 박리를 최소화할 수 있다. 또한, 상기 전지의 고온 작동으로 인해 상기 전도성 플레이트(10)로부터 상기 크롬 성분이 휘발되는 것을 최소화하고, 상기 연료전지용 단전지들의 상기 연료극 및 상기 공기극 표면 상에 상기 산화층 또는 상기 수산화물층이 형성되는 것을 최소화할 수 있다.
상기 글래스 코팅층(17)은, 상술된 바와 같이, 상기 실버-글래스 복합층(15)의 주변부(10e)에 형성될 수 있다. 상기 실버-글래스 복합층(15)의 상기 주변부(10e)는, 상기 제1 및 제2 면(10a, 10b) 상에 적층되는 상기 연료전지용 단전지(140)들과의 전기적 연결이 요구되지 않으므로, 상기 글래스만을 포함하는 상기 글래프 코팅층(17)을 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 주변부(10e) 상에 상대적으로 값이 저렴한 상기 글래스 코팅층(17)을 형성함으로써, 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 제조 공정 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 실버-글래스 복합층(15)과 마찬가지로, 상기 전지의 고온 작동으로 인해 상기 전도성 플레이트(10)로부터 상기 크롬 성분이 휘발되는 것을 최소화하고, 상기 연료전지용 단전지들의 상기 연료극 및 상기 공기극 표면 상에 상기 산화층 및 상기 수산화물층이 형성되는 것을 최소화할 수 있다.
상기 연료전지용 단전지(140)는, 도 8에서 알 수 있듯이, 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제1 면(10a) 상(上)에 적층되는 (n+1)(n은 양의 정수)번째 연료전지용 단전지(140(n+1)) 및 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제2 면(10b) 하(下)에 적층되는 n번째 연료전지용 단전지(140(n))를 포함할 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 (n+1) 및 n번째 연료전지용 단전지(140(n+1), 140(n))는, 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 중앙영역(10c)에 상기 실버-글래스 복합층(15)과 중첩되는 위치에 형성될 수 있다. 따라서, 상기 실버-글래스 복합층(15)의 우수한 전기 전도도 특성으로 인해, 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제1 면(10a) 상, 및 상기 제2 면(10b) 하에 적층된 상기 (n+1) 및 n번째 연료전지용 단전지(140(n+1), 140(n)) 사이에 전자의 이동 효율이 향상될 수 있다.
또한, 외부로부터 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제1 면(10)의 상기 제1 개구부(11)를 통해 유입된 상기 공기는, 상기 제1 면(10a)의 상기 제1 채널(11c), 상기 실버-글래스 복합층(15), 및 상기 제2 채널(12c)을 거쳐 상기 제2 개구부(12)를 통해 외부로 유출되는 동시에, 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지(140(n+1))의 상기 공기극(140c)에 공급될 수 있다.
또한, 외부로부터 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제3 개구부(13)를 통해 유입된 상기 연료는, 상기 제2 면(10b)의 상기 제3 채널(13c), 상기 실버-글래스 복합층(15), 및 상기 제4 채널(14c)을 거쳐 상기 제4 개구부(14)를 통해 외부로 유출되는 동시에, 상기 n번째 연료전지용 단전지(140(n))의 연료극에 공급될 수 있다.
이와 같이, 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)에 의해, 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제1 면(10a)의 상, 및 상기 제2 면(10b)의 하에 적층된 상기 (n+1) 및 n번째 연료전지용 단전지(140(n+1), 140(n))에 상기 공기 및 상기 연료가 효율적으로 분리되어 공급될 수 있다.
상기 금속지지체(130)는, 상기 전도성 연료전지용 가스분리판(100) 상에 위치할 수 있다. 이에 따라, 상기 금속지지체(130)에 상기 전도성 가스 분리판(100)의 상기 제1 면(10a) 상에 적층되는 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지(140(n+1))가 삽입될 수 있다. 상기 금속지지체(140), 및 상기 금속지지체(140)에 삽입되는 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지(140(n+1))의 두께가 상응하는 높이를 가질 수 있다. 이에 따라, 후술되는 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지(140(n+1)) 상에 적층되는 상기 가스켓 유닛(150)에 의해 상기 금속지지체(130), 및 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지(140(n+1))를 함께 가압되어 서로 밀접하게 결합될 수 있다.
또한, 상기 금속지지체(130)의 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지(140(n+1))와 중첩되는 위치에 제1 전류집전부(138)가 포함될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 금속지지체(130)의 상기 제1 전류집전부(138)에 집전된 전류는, 상기 금속지지체(130), 또는 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)을 통해 외부로 제공될 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전류집전부(138)는, 금속 메쉬(metal mesh)로 형성될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 금속지지체(130)는, 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제1 및 제2 개구부(11, 12)와 연결되는 공기이동용 개구부(135), 및 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제3 및 제4 개구부(13, 14)와 연결되는 연료이동용 개구부(135)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 금속지지체(130)의 상기 공기이동용 개구부(135)는, 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제1 및 제2 개구부(11, 12)와 연결되어 상기 공기를 공급하는 유로를 제공할 수 있다.
구체적으로, 외부로부터 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제1 개구부(11)를 통해 유입된 상기 공기는, 상술된 바와 같이, 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제1 면(10a)을 따라 상기 제1 채널(11c), 상기 실버-글래스 복합층(15), 및 상기 제2 채널(12c)을 거쳐 상기 제2 개구부(12)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 상기 제1 개구부(11)를 통해 유입된 공기는, n번째 연료전지용 단전지(140(n))의 상기 공기극(140c)에 공급되는 동시에, (n+1)번째 연료전지용 단전지(140(n+1))의 상기 공기극(140c)으로 공급될 수 있다.
또한, 상기 금속지지체(130)의 상기 연료이동용 개구부(135)는, 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제3 및 제4 개구부(13, 14)와 연결되어 상기 연료를 공급하는 유로를 제공할 수 있다.
구체적으로, 외부로부터 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제3 개구부(13)를 통해 유입된 상기 연료는, 상술된 바와 같이, 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제2 면(10b)을 따라 상기 제3 채널(13c), 상기 실버-글래스 복합층(15), 및 상기 제4 채널(14c)을 거쳐 상기 제4 개구부(14)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 상기 제3 개구부(13)를 통해 유입된 연료는, 상기 n번째 연료전지용 단전지(140(n))의 상기 연료극에 공급되는 동시에, 상기 (n-1)번째 연료전지용 단전지(140(n-1))의 상기 연료극으로 공급될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속지지체(130)는, 상기 공기이동용 개구부 및/또는 상기 연료이동용 개구부 사이드(side)에 가스유도채널(139)를 더 포함할 수 있다.
상기 가스켓 유닛(150)은, 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지(140(n+1))가 삽입된 상기 금속지지체(130) 상에 위치할 수 있다. 이에 따라, 상기 가스켓 유닛(150)은, 상기 금속지지체(130) 및 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)을 함께 가압할 수 있다.
또한, 상기 가스켓 유닛(150)은, 상기 금속지지체(130)와 마찬가지로, 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제2 면(10b) 하에 적층된 상기 n번째 연료전지용 단전지(140)와 중첩되는 위치에 제2 전류집전부(158)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 가스켓 유닛(150)의 상기 제2 전류집전부(158)에 집전된 전류 및 상기 금속지지체(130)의 상기 제1 전류집전부(138)에 집전된 전하에 의한 전위차를 측정하여 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛(200)의 이상 유무를 확인할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전류집전부(158)는, 상기 제1 전류집전부(138)와 마찬가지로, 상기 금속 메쉬로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스켓 유닛(150)는, 상기 공기이동용 개구부 및/또는 상기 연료이동용 개구부 사이드에 가스유도채널(159)를 더 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 스택유닛(200)은 상기 공기 및 상기 연료를 분리하여 공급할 수 있는 매니폴드(manifold)가 형성된 앤드 플레이트(300a, 300b) 사이에 복수개 적층될 수 있다. 구체적으로, 상기 앤드 플레이트(300b)에 형성된 상기 매니폴드를 통해 상기 연료전지용 스택유닛(200)에 공급된 상기 공기는, 복수개의 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제1 개구부(11), 상기 금속지지체(130)의 상기 공기이동용 개구부(138), 및 상기 가스켓 유닛(150)의 상기 연료이동용 개구부(158)를 통해 유동할 수 있다.
또한, 상술된 바와 같이, 유동하는 상기 공기 중 적어도 일부는, 복수개의 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제1 면(10a)의 상기 제1 채널(11c), 상기 실버-글래스 복합층(15), 및 상기 제2 채널(12c) 따라 상기 제2 개구부(12)를 통해 상기 연료전지용 단전지(140)의 상기 공기극(140c)에 상기 공기를 공급하는 동시에, 외부로 배출될 수 있다.
또한, 상기 앤드 플레이트(300a)에 형성된 상기 매니폴드를 통해 상기 연료전지용 스택유닛(200)에 공급된 상기 연료는, 복수개의 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제3 개구부(13), 상기 금속지지체(130)의 상기 연료이동용 개구부(138), 및 가스켓 유닛(150)의 상기 연료이동용 개구부(158)를 통해 유동할 수 있다.
또한, 상술된 바와 같이, 유동하는 상기 연료 중 일부는, 복수개의 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 상기 제2 면(10b)의 상기 제3 채널(13c), 상기 실버-글래스 복합층(15), 및 상기 제4 채널(14c)을 따라 상기 제4 개구부(14)를 통해 상기 연료전지용 단전지(140)의 상기 연료극에 상기 연료를 공급하는 동시에, 외부로 배출될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)을 포함하는 상기 연료전지용 스택유닛(200)의 경우, 상기 연료 및 상기 공기를 용이하게 분리하여 상기 연료전지용 단전지(140)에 공급함으로써, 상기 연료전지용 단전지(140)의 전지 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가스 분리판을 포함하는 연료전지 스택유닛을 이용한 발전용 연료전지 스택의 적용 예가 설명된다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 가스 분리판(100)을 포함하는 연료전지 스택유닛(200)을 이용한 발전용 연료전지 스택의 적용 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 상기 발전용 연료전지 스택(1000)은 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 가스 분리판(100)을 포함하는 연료전지 스택유닛(200)으로부터 전력을 공급받아 외부로 송출하는 전력 제어장치(800)를 포함할 수 있다. 상기 전력제어장치(800)는 출력장치(810), 축전장치(820), 충방전 제어장치(830), 시스템제어장치(840)를 포함할 수 있다. 상기 출력장치(810)는 전력변환장치(812)를 포함할 수 있다.
상기 전력변환장치(Power Conditioning System: PCS, 812)는 상기 연료전지 스택유닛(200)으로부터의 직류전류를 교류전류로 변환하는 인버터일 수 있다. 상기 충방전 제어장치(830)는 상기 연료전지 스택유닛(200)으로부터의 전력을 상기 축전장치(820)에 저장하거나, 상기 축전장치(820)에 저장된 전기를 상기 출력장치(810)로 출력할 수 있다. 상기 시스템제어장치(840)는 상기 출력장치(810), 상기 축전장치(820) 및 상기 충방전 제어장치(830)를 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이, 변환된 교류전류는 자동차, 가정과 같은 다양한 AC 부하(910)로 공급되어 사용될 수 있다. 나아가, 상기 출력장치(810)는 계통연계장치(grid connect system, 814)를 더 포함할 수 있다. 상기 계통연계장치(814)는 다른 전력계통(920)과의 접속을 매개하여, 전력을 외부로 송출할 수 있다.
본 발명의 실시 예와 달리, 종래의 연료전지 스택유닛은, 단전지들 사이에서의 전자 이동을 원활하게 하기 위해, 가스 분리판 상에 전기 전도도가 우수한 실버 코팅층을 형성한다. 이 경우, 상기 연료전지 스택유닛의 전기 전도도 특성은 향상될 수 있으나, 상기 가스 분리판과 상기 실버 코팅층의 열팽창계수 값의 차이가 커 전지의 열화에 의해 상기 가스 분리판과 상기 기능층이 분리되는 층간 박리 현상이 발생한다. 또한, 전지의 열화에 의해 상기 층간 박리 현상이 발생하는 경우, 상기 가스 분리판에 포함된 크롬 성분이 휘발되어 상기 연료전지용 단전지의 공기극 및 연료극에 산화물 및 녹이 생성되어 전지의 효율을 저하시키는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시 예에 따르면, 공기 유로를 제공하는 제1 면(10a) 및 상기 제1 면(10a)에 대하여 반대 면에 위치하며 연료 유로를 제공하는 제2 면(10b)을 포함하는 전도성 플레이트(10), 및 상기 제1 면(10a) 상에 적층되는 연료전지용 단전지(140)와 중첩되도록 형성되는 실버-글래스 복합층(15)을 포함하는 연료전지용 가스 분리판(100), 및 이를 포함하는 연료전지용 스택유닛(200)이 제공될 수 있다.
상기 전도성 플레이트(10)의 상기 제1 내지 제4 개구부(11, 12, 13, 14)를 통해 상기 제1 및 제2 면(10a, 10b)을 따라 상기 공기 및 상기 연료가 용이하게 분리되어, 상기 연료전지용 단전지(140)에 공급되어 상기 연료전지 스택의 전지 효율이 향상될 수 있다.
또한, 상기 실버-글래스 복합층(15)을 상기 전도성 플레이트(10)의 제1 및 제2 면(10a, 10b)의 상 및 하에 적층되는 상기 연료전지용 단전지(140)와 중첩되는 위치에 상기 전도성 플레이트(10)에 치밀하게 형성하여, 상기 전도성 플레이트(10)와 상기 실버-글래스 복합층(15)의 열팽창계수 값의 차이를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 상기 연료전지의 지속적인 사용 및 열 사이클에 의해 발생하는 전지의 열화에 의해 상기 전도성 플레이트(10)와 상기 기능층이 분리되는 층간 박리 현상을 최소화할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 전지의 열화에 의해 휘발된 크롬 성분이 공기 중의 산소와 반응하여 생성된 산화물 또는 수산화물에 의해, 상기 공기극(140c)과 접해있는 금속의 표면을 산화시키는 것을 예방할 수 있다. 또한, 상기 연료극의 수소와 산소이온의 반응에 의해 생성된 물에 의해 녹(rust)이 생성되는 현상을 최소화할 수 있다. 이에 따라, 전지의 열화로 의인해 전지의 효율이 저하되는 것을 최소화할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 실버-글래스 복합층(15)의 주변부(10e) 상에 상대적으로 값이 저렴한 글래스 코팅층(17)을 치밀하게 접착함으로써, 상기 전도성 연료전지용 가스 분리판(100)의 제조 공정 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 실버-글래스 복합층(15)과 마찬가지로, 상기 전도성 플레이트(10)로부터 상기 크롬 성분이 휘발되는 것을 최소화하여 상기 연료전지용 단전지(140)의 전극 표면 상에 산화층 또는 녹이 생성되는 것을 최소화할 수 있다. 이에 따라, 상기 전지의 효율이 향상된 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택유닛(200)이 제공될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10: 전도성 플레이트
10a: 제1 면
10b: 제2 면
10c: 중앙 영역
10e: 주변부
11: 제1 개구부
11c: 제1 채널
12: 제2 개구부
12c: 제2 채널
13: 제3 개구부
13c: 제3 채널
14: 제4 개구부
14c: 제4 채널
15: 실버-글래스 복합층
17: 글래스 코팅층
19a: 오목부
19b: 볼록부
100: 연료전지용 가스 분리판
130: 금속지지체
135: 공기이동용 개구부, 연료이동용 개구부
138: 제1 전류집전부
139: 가스유도채널
140: 연료전지용 단전지
140c: 공기극
140(n-1): (n-1)번째 연료전지용 단전지
140(n): n번째 연료전지용 단전지
140(n+1): (n+1)번째 연료전지용 단전지
150: 가스켓 유닛
155: 공기이동용 개구부, 연료이동용 개구부
158: 제2 전류집전부
159: 가스유도채널
200: 연료전지 스택유닛
400: 전압 측정 단자
800: 전력제어장치
810: 출력장치
812: 전력변환장치
814: 계통연계장치
820: 축전장치
830: 충방전 제어장치
840: 시스템제어장치
910: AC 부하
920: 다른 전력계통
1000: 발전용 연료전지 스택

Claims (13)

  1. 공기 유로를 제공하는 제1 면 및 상기 제1 면에 대하여 반대 면에 위치하며 연료 유로를 제공하는 제2 면을 포함하는 전도성 플레이트; 및
    상기 제1 면 및 제2 면 중 적어도 한 면상에 적층되는 연료전지용 단전지와 중첩(overlap)되도록 형성되는 실버-글래스(silver-glass) 복합층;을 포함하되,
    상기 실버-글래스 복합층의 주변부에 형성되고, 상기 제1 면 상에 적층되는 연료전지용 단전지와 비중첩(non-overlap)되도록 형성되는 글래스 코팅층을 더 포함하고,
    상기 전도성 플레이트의 제1 면에는, 외부로부터 공기를 유입받는 제1 개구부, 요철 구조를 가지되, 상기 단전지와 비중첩되도록 형성되어 외부로부터 유입된 공기에 유로를 제공하는 제1 채널, 평면 구조로 이루어진 중앙 영역, 요철 구조를 가지되, 상기 단전지와 비중첩되도록 형성되어 상기 중앙 영역 상을 통과한 공기에 유로를 제공하는 제2 채널, 외부로 공기를 유출하는 제2 개구부가 형성되고,
    상기 실버-글래스 복합층은 상기 중앙 영역에 형성되는 연료전지용 가스 분리판.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 실버-글래스 복합층은, 상기 제1 면 상에 적층되는 연료전지용 단전지의 공기극과 마주보는 연료전지용 가스 분리판.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 전도성 플레이트는, 상기 제2 면에 대향하도록 적층되는 연료전지용 단전지와 중첩되도록 형성되는 실버-글래스 복합층을 더 포함하는 연료전지용 가스 분리판.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 전도성 플레이트와 실버-글래스 복합층 간의 열팽창계수 차이는, 상기 전도성 플레이트와 실버 코팅층 간의 열팽창계수 차이보다 작은 연료전지용 가스 분리판.
  6. 제1 항에 있어서,
    외부로부터 상기 제1 개구부를 통해 유입된 상기 공기는, 상기 제1 채널, 상기 실버-글래스 복합층, 및 상기 제2 채널을 거쳐 상기 제2 개구부를 통해 외부로 유출되는 연료전지용 가스분리판.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 면의 상기 연료 유로는, 외부로부터 연료를 유입받는 제3 개구부, 및 상기 제3 개구부에 대향하고 외부로 연료를 유출하는 제4 개구부를 포함하고, 상기 제1 내지 제4 개구부와 상기 제2 면 상에 형성된 상기 실버-글래스 복합층 사이의 상기 전도성 플레이트는 제3 및 제4 채널을 포함하며,
    외부로부터 상기 제3 개구부를 통해 유입된 상기 연료는, 상기 제2 면의 상기 제3 채널, 상기 실버-글래스 복합층, 및 상기 제4 채널을 거쳐 상기 제4 개구부를 통해 외부로 유출되는 것을 포함하는 연료전지용 가스분리판.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제3 및 제4 채널은 오목부 및 볼록부를 포함하는 요철 모양의 구조가 주기적으로 반복되는 형태인 것을 포함하는 연료전지용 가스분리판.
  9. 전도성 연료전지용 가스 분리판;
    상기 연료전지용 가스 분리판의 제1 면 상(上)에 적층된, (n+1)(n은 양의 정수)번째 연료전지용 단전지; 및
    상기 연료전지용 가스 분리판의 제2 면 하(下)에 적층된, n번째 연료전지용 단전지를 포함하되,
    상기 제1 면은, 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지로 공기를 공급하는 유로를 제공하며, 상기 제1 면에는, 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지와 중첩되는 중앙 영역에 실버-글래스 복합층이 형성되며,
    상기 제2 면은, 상기 n번째 연료전지용 단전지로 연료를 공급하는 유로를 제공하며, 상기 제2 면에는, 상기 n번째 연료전지용 단전지와 중첩되는 중앙 영역에 실버-글래스 복합층이 형성되고,
    상기 실버-글래스 복합층의 주변부에 형성되고, 상기 제1 면 상에 적층되는 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지, 및 상기 제2 면 하에 적층되는 상기 n번째 연료전지용 단전지와 비중첩되는 영역에 형성되는 글래스 코팅층을 더 포함하되,
    상기 전도성 연료전지용 가스 분리판의 제1 면에는, 외부로부터 공기를 유입받는 제1 개구부, 요철 구조를 가지되, 상기 단전지와 비중첩되도록 형성되어 외부로부터 유입된 공기에 유로를 제공하는 제1 채널, 평면 구조로 이루어진 중앙 영역, 요철 구조를 가지되, 상기 단전지와 비중첩되도록 형성되어 상기 중앙 영역 상을 통과한 공기에 유로를 제공하는 제2 채널, 외부로 공기를 유출하는 제2 개구부가 형성되고, 상기 실버-글래스 복합층은 상기 중앙 영역에 형성되는 연료전지 스택유닛.
  10. 삭제
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 실버-글래스 복합층의 열팽창계수가 실버 코팅층의 열팽창계수보다 작은 연료전지 스택유닛.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 전도성 연료전지용 가스분리판 상에 위치하고 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지가 삽입되는 금속지지체(metal support);
    상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지가 삽입된 상기 금속지지체 상에 위치하는 가스켓 유닛(gasket unit);을 더 포함하되,
    상기 금속지지체 및 상기 가스켓 유닛은 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지와 중첩되는 위치에 제1 및 제2 전류집전부를 포함하고,
    상기 가스켓 유닛은 상기 금속지지체 및 상기 (n+1)번째 연료전지용 단전지를 함께 가압하는 것을 포함하는 연료전지 스택유닛.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 전도성 연료전지용 가스분리판은, 공기를 공급하는 유로를 제공하는 제1 및 제2 개구부와 연료를 공급하는 유로를 제공하는 제3 및 제4 개구부를 포함하고,
    상기 금속지지체 및 상기 가스켓 유닛은, 상기 전도성 연료전지용 가스분리판의 상기 제1 및 제2 개구부와 연결되는 공기이동용 개구부, 및 상기 전도성 연료전지용 가스분리판의 상기 제3 및 제4 개구부와 연결되는 연료이동용 개구부를 포함하는 연료전지 스택유닛.
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