KR102158384B1 - 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지, 수전해장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지, 수전해장치 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지는 연료극, 전해질막, 및 공기극을 포함하는 적어도 하나의 단위 셀, 상기 적어도 하나의 단위 셀의 양면에 마련되며, 몸체의 양 끝단에 충진부가 일체로 형성된 제1 집전판 및 제2 집전판, 및 상기 충진부의 양면에 형성된 밀봉부를 포함한다.

Description

일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지, 수전해장치 및 이의 제조방법{FLAT TUBULAR SOLID OXIDE FUEL CELL OR WATER ELECTROLYSIS APPARATUS WITH INTEGRATED CURRENT COLLECTOR AND MANUFACTURING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 고체산화물 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)는 산소 또는 수소 이온전도성을 띄는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써, 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(600 - 1000 ℃)에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 고체산화물 연료전지는 전기화학 반응을 역으로 진행시켜 고온 수전해장치(Solid Oxide Electrolyzer Cell, SOEC)로 이용될 수 있다.
고체산화물 연료전지와 고온 수전해장치 등의 전기화학 반응장치는 그 형태에 따라 평판형과 원통형으로 크게 분류되는데, 평판형은 전력밀도(출력)가 높은 장점이 있으나 가스 밀봉면적이 넓고 적층시 재료들 간의 열팽창계수 차이에 의한 열적 쇼크가 발생하며 대면적화가 어렵다는 단점이 있고, 원통형은 열응력에 대한 저항 및 기계적 강도가 상대적으로 높고 압출성형으로 제조하여 대면적화가 가능하다는 장점이 있으나 전력밀도(출력)가 낮다는 한계점이 있다.
이러한 평판형과 원통형의 전기화학 반응장치가 가지고 있는 장점을 도입한 평관형 전기화학 반응장치(평관형 고체산화물 연료전지)의 경우, 전력밀도를 높이기 위해 단위 셀(싱글셀, 유닛셀)을 다수 적층하여 원하는 출력 성능을 구현할 수 있다.
그러나, 다수의 셀 적층에 따른 하중 분배 문제로 셀 스택 밀봉 부위에 형성된 밀봉재의 미끄러짐 현상이 발생할 수 있고, 이에 따라 가스 누수, 발열 등의 스택 안정성이 붕괴됨으로써 셀의 성능이 저감하는 문제점이 존재한다.
이에 따라, 단위 셀 간의 전기적 접촉 및 연료극과 공기극 간의 가스 밀봉을 수행하기 위한 기술의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1503458호(2015.03.11)
본 발명의 목적은 밀봉부에 구비되는 충진재가 일체로 형성된 집전판을 구현하여 고체산화물 연료전지의 셀 스택을 적층함으로써, 스택 적층에 따른 자체 하중에 의하여 발생할 수 있는 흔들림 및 밀림 현상을 방지하기 위한 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 밀봉부의 결합 공정을 단축시켜 셀 스택 제작에 대한 편의성 및 구조적 안정성을 높이기 위한 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지는 연료극, 전해질막, 및 공기극을 포함하는 적어도 하나의 단위 셀, 상기 적어도 하나의 단위 셀의 양면에 마련되며, 몸체의 양 끝단에 충진부가 일체로 형성된 제1 집전판 및 제2 집전판, 및 상기 충진부의 양면에 형성된 밀봉부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지는 상기 적어도 하나의 단위 셀을 지지하기 위하여, 상기 제1 집전판의 타면에 형성되는 제1 하우징 및 상기 제2 집전판의 일면에 형성되는 제2 하우징을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 충진부 및 상기 밀봉부에는 두께 방향으로 관통 형성되어 상기 적어도 하나의 단위 셀로 흐르는 연료가스가 이동되기 위한 홀이 구비되며, 상기 충진부에 구비된 홀 및 상기 밀봉부에 구비된 홀은 서로 연통될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제1 집전판 또는 상기 제2 집전판의 두께는 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
상기 제1 집전판 또는 상기 제2 집전판의 두께 = 상기 충진부의 두께 + (상기 밀봉부의 두께 X 2)
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 밀봉부는 접착 공정, 스크린 인쇄 공정, 디스펜서 공정 중 하나를 이용하여 상기 충진부의 양면에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 고체산화물 연료전지는 평관형일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지의 제조방법은 연료극, 전해질막, 및 공기극이 적층된 적어도 하나의 단위 셀을 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법에 있어서, 몸체의 양 끝단에 충진부가 일체로 형성된 제1 집전판 및 제2 집전판을 준비하는 단계, 상기 충진부의 양면에 밀봉부를 결합하는 단계, 및 상기 적어도 하나의 단위 셀의 양면에 상기 제1 집전판 및 상기 제2 집전판을 결합하여 상기 고체산화물 연료전지를 제조하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지의 제조방법은 상기 적어도 하나의 단위 셀을 지지하기 위하여, 상기 제1 집전판의 타면에 제1 하우징을 결합하고, 상기 제2 집전판의 일면에 제2 하우징을 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 충진부의 양면에 밀봉부를 결합하는 단계는 접착 공정, 스크린 인쇄 공정, 디스펜서 공정 중 하나를 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제1 집전판 또는 상기 제2 집전판의 두께는 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
상기 제1 집전판 또는 상기 제2 집전판의 두께 = 상기 충진부의 두께 + (상기 밀봉부의 두께 X 2)
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 밀봉부에 구비되는 충진재가 일체로 형성된 집전판을 구현하여 고체산화물 연료전지의 셀 스택을 적층함으로써, 스택 적층에 따른 자체 하중에 의하여 발생할 수 있는 흔들림 및 밀림 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 밀봉부의 결합 공정을 단축시켜 셀 스택 제작에 대한 편의성 및 구조적 안정성을 높일 수 있다.
도 1은 종래에 사용되는 셀 스택의 조립부품을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 설명하기 위해 도시한 평면도이다.
도 3은 종래에 사용되는 분리형 집전판이 구비된 고체산화물 연료전지를 설명하기 위해 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판이 구비된 고체산화물 연료전지를 설명하기 위해 도시한 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 일체형 집전판의 양 끝단에 형성된 충진부 및 밀봉부의 구조를 설명하기 위해 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지의 제조방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 7 및 도 8은 도 6의 고체산화물 연료전지의 제조방법을 구체적으로 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
일반적으로 연료전지는 천연가스, 석탄가스, 메탄올 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학반응에 의해서 직접 전기에너지로 변환시키는 고효율의 청정 발전 기술로서, 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 알칼리형, 인산형, 용융탄산염, 고체산화물 및 고분자 연료전지로 분류된다.
고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)는 산소 또는 수소 이온전도성을 띄는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써, 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(600 - 1000 ℃)에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 고체산화물 연료전지는 전기화학 반응을 역으로 진행시켜 고온 수전해장치(Solid Oxide Electrolyzer Cell, SOEC)로 이용될 수 있다.
고체산화물 연료전지와 고온 수전해장치 등의 전기화학 반응장치는 그 형태에 따라 평판형과 원통형으로 크게 분류되는데, 평판형은 전력밀도(출력)가 높은 장점이 있으나 가스 밀봉면적이 넓고 적층시 재료들 간의 열팽창계수 차이에 의한 열적 쇼크가 발생하며 대면적화가 어렵다는 단점이 있고, 원통형은 열응력에 대한 저항 및 기계적 강도가 상대적으로 높고 압출성형으로 제조하여 대면적화가 가능하다는 장점이 있으나 전력밀도(출력)가 낮다는 한계점이 있다.
이러한 평판형과 원통형의 전기화학 반응장치가 가지고 있는 장점을 도입한 평관형 전기화학 반응장치(평관형 고체산화물 연료전지)의 경우, 전력밀도를 높이기 위해 단위 셀(싱글셀, 유닛셀)을 다수 적층하여 원하는 출력 성능을 구현할 수 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 평관형 연료전지의 경우, 단위 셀 간의 전기적 접촉 및 연료극과 공기극 간의 연료가스 밀봉을 위해 별개의 집전판(122,124)과 밀봉재(126b)를 각각 단위 셀(130)에 접합하여 셀 스택을 구현한다.
이때, 집전판(122,124)의 두께에 해당하는 높이의 밀봉재(126b)를 사용하는 경우, 연료전지의 작동에 따른 온도 상승으로 인해 밀봉재(126b)가 변형되는 것을 방지하기 위하여, 높이 차이를 메우기 위한 충진재(126a)가 사용된다.
그러나, 적층되는 단위 셀(130)이 적은 경우에는 문제가 없지만 kW급 대용량의 셀 스택을 제작하기 위하여 수 십장의 단위 셀(130)을 적층하는 경우에는 밀봉재(126b) 및 충진재(126a)가 밀려 움직이는 현상이 발생할 수가 있다. 이로 인해, 셀 스택의 안정성이 붕괴되어 연료전지의 성능을 저감시키는 원인이 될 수 있다.
이에 따라, 본 발명에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 집전판(122,124)의 일부를 충진재(126a)로서 구현하여 밀봉재(126b) 용융 후 발생할 수 있는 흔들림 및 밀림 현상을 방지하도록 하였다. 즉, 기존에 분리되어 사용되던 집전판과 충진재를 일체화하여 제작하였다.
도 3은 종래에 사용되는 분리형 집전판이 구비된 고체산화물 연료전지를 설명하기 위해 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판이 구비된 고체산화물 연료전지를 설명하기 위해 도시한 분해 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 일체형 집전판의 양 끝단에 형성된 충진부 및 밀봉부의 구조를 설명하기 위해 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 종래에 사용되는 분리형 집전판이 구비된 고체산화물 연료전지는 적어도 하나의 단위 셀(130), 집전판(122,124), 밀봉부(126b), 가스 유입부(20a), 가스 출입부(20b) 및 하우징(112,114)을 포함하여 구성될 수 있다.
평관형 고체산화물 연료전지는 공기극(또는 양극)을 연료전지의 지지체로 사용하는 공기극 지지체식 연료전지와 연료극(또는 음극)을 지지체로 사용하는 연료극 지지체식 연료전지의 두 종류로 구분되는데, 공기극 지지체식 연료전지와 연료극 지지체식 연료전지 중에서는 연료극 지지체식이 진보된 형태로서, 현재의 고체산화물 연료전지는 연료극 지지체 식을 중심으로 하여 연구 개발되고 있다.
이하에서는, 연료극 지지체식 연료전지를 기준으로 설명하기로 한다.
적어도 하나의 단위 셀(130)은 내측(또는 하측)으로부터 연료극, 전해질막, 공기극이 순차적으로 적층되어 구성될 수 있다.
공기극은 외부에서 공급된 전자와 공기 중의 산소 또는 산소가스가 반응하여 산소이온이 형성되고, 전해질막은 공기극에서 형성된 산소이온의 이동통로이며 공기와 연료의 직접 접촉을 막고 전자의 이동을 차단하기 위한 층이며, 연료극은 전해질막을 통해 전달되는 산소이온과 연료가 전기화학 반응을 일으키고 이때 발생한 전자를 외부로 보내는 역할을 한다.
구체적으로, 연료극은 공기 중의 산소 혹은 산소가스를 공급받으며 연료극에서 공급되는 전자를 받아 산소이온이 되고 산소이온은 전해질막을 통하여 이동하고 연료극에 도달하면 연료인 수소가스와 반응하여 물을 생성하고 전자를 방출하게 된다. 결과적으로 연료극에 생성된 전자를 외부 회로로 흐르게 함으로써 전류를 발생시키는 발전을 하게 된다.
참고로, 단위 셀(130)의 양단에는 연료가스를 유입 및 유출시키기 위하여 두께 방향으로 관통 형성된 홀이 구비될 수 있다.
집전판(122,124)은 전기를 집결하는 단자를 포함하여, 적어도 하나의 단위 셀(130)에서 형성되는 전기를 집전하는 장치이다.
집전판(122,124)은 적어도 하나의 단위 셀(130)의 최하부에 위치하는 제1 집전판(122) 및 적어도 하나의 단위 셀(130)의 최상부에 위치하는 제2 집전판(124)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 내측(또는 하측)으로부터 연료극, 전해질막, 공기극이 순차적으로 적층되는 단위 셀(130)의 구조에 따라, 제1 집전판(122)은 연료극층 집전판일 수 있고, 제2 집전판(124)은 공기극층 집전판일 수 있다.
도면에서는, 하나의 단위 셀(130)로 구성된 연료전지의 구조를 나타내며, 단위 셀(130)의 양면에 제1 집전판(122) 및 제2 집전판(124)이 결합될 수 있다.
반면에, 다수의 단위 셀(130)이 적층되는 경우, 최하부에 위치한 단위 셀(130)의 하부에 제1 집전판(122)이 결합되고, 최상부에 위치한 단위 셀(130)의 상부에 제2 집전판(124)이 결합될 수 있다.
밀봉부(126b)는 단위 셀(130)의 양단에 형성되며, 집전판(122,124)으로부터 소정간격 이격된 위치에 구비될 수 있다. 즉, 밀봉부(126b)는 단위 셀(130)의 양단 상부 및 하부에 각각 형성될 수 있으며, 집전판(122,124)과 분리된 상태로 단위 셀(130)에 구비될 수 있다.
밀봉부(126b)는 연료전지의 작동에 따른 온도 상승으로 인해 밀봉재가 변형되는 것을 방지하기 위하여, 높이 차이를 메우기 위한 충진부(126a)를 포함할 수 있다.
즉, 충진부(126a)를 기준으로 양면에 밀봉부재가 결합되어 밀봉부(126b)를 구현할 수 있다. 참고로, 밀봉부재는 유리 계열의 실런트(Glass selant)를 사용할 수 있고, 충진부(126a)는 크로퍼(crofer) 또는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를 사용할 수 있다.
하우징(112,114)은 적어도 하나의 단위 셀(130)을 지지하기 위해 사용되는 틀로서, 집전판(122,124)의 외측에 형성될 수 있다.
예컨대, 하우징(112,114)은 제1 집전판(122)의 타면 즉, 하부에 결합되는 제1 하우징(112) 및 제2 집전판(124)의 일면 즉, 상부에 결합되는 제2 하우징(114)을 포함할 수 있다.
하우징(112,114)은 고온 상에서 변형을 최소화할 수 있는 금속재질로 구현되는 것이 바람직하다.
하우징(112,114)에는 단위 셀(130)로 흐르는 연료가스를 유입시키기 위한 가스 유입부 및 배출시키기 위한 가스 배출부가 구비될 수 있다.
예컨대, 제1 하우징(112)에 가스 유입부가 연결될 수 있고, 제2 하우징(114)에 가스 배출부가 연결될 수 있으며, 단위 셀(130)을 구성하는 연료극, 전해질막, 공기극의 적층 순서에 따라 가스 유입부 및 가스 배출부의 위치는 변경될 수 있다.
참고로, 제1 하우징(112) 및 제2 하우징(114)에는 외부와 접속된 전기단자(10)가 더 구비될 수 있다.
전술한 구조에 따른 종래의 고체산화물 연료전지는 서로 분리된 상태로 형성된 집전판(122,124) 및 밀봉부(126b)로 구성됨에 따라 다음과 같은 문제점이 발생할 수 있다.
연료전지 내 적층되는 단위 셀(130)이 적은 경우에는 문제가 없지만 kW급 대용량의 셀 스택을 제작하기 위하여 수 십장의 단위 셀(130)을 적층하는 경우에는 밀봉부(126b) 및 충진부(126a)가 밀려 움직이는 현상이 발생할 수가 있다. 이로 인해, 셀 스택의 안정성이 붕괴되어 연료전지의 성능을 저감시키는 원인이 될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판이 구비된 고체산화물 연료전지(100)는 적어도 하나의 단위 셀(130), 집전판(122,124), 밀봉부(126b), 가스 유입부, 가스 출입부 및 하우징을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지(100)에 관한 적어도 하나의 단위 셀(130), 가스 유입부, 가스 출입부 및 하우징은 종래의 고체산화물 연료전지에 관한 적어도 하나의 단위 셀(130), 가스 유입부(20a), 가스 출입부(20b) 및 하우징(112,114)과 동일한 기능을 수행하므로, 이하에서는 집전판(122,124) 및 밀봉부(126b)에 관해서만 설명하기로 한다.
집전판(122,124)은 전기를 집결하는 단자를 포함하여, 적어도 하나의 단위 셀(130)에서 형성되는 전기를 집전하는 장치이다.
집전판(122,124)은 적어도 하나의 단위 셀(130)의 최하부에 위치하는 제1 집전판(122) 및 적어도 하나의 단위 셀(130)의 최상부에 위치하는 제2 집전판(124)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 내측(또는 하측)으로부터 연료극, 전해질막, 공기극이 순차적으로 적층되는 단위 셀(130)의 구조에 따라, 제1 집전판(122)은 연료극층 집전판일 수 있고, 제2 집전판(124)은 공기극층 집전판일 수 있다.
도면에서는, 하나의 단위 셀(130)로 구성된 연료전지의 구조를 나타내며, 단위 셀(130)의 양면에 제1 집전판(122) 및 제2 집전판(124)이 결합될 수 있다.
반면에, 다수의 단위 셀(130)이 적층되는 경우, 최하부에 위치한 단위 셀(130)의 하부에 제1 집전판(122)이 결합되고, 최상부에 위치한 단위 셀(130)의 상부에 제2 집전판(124)이 결합될 수 있다.
집전판(122,124)은 몸체의 양 끝단에 충진부(126a)가 일체로 형성될 수 있다.
즉, 종래의 집전판(122,124)이 밀봉부(126b)에 포함된 충진부(126a)와 분리된 상태로 구현된 것과 달리, 본 발명의 집전판(122,124)은 몸체의 양 끝단을 충진부(126a)로서 구현할 수 있다.
밀봉부(126b)는 충진부(126a)의 양면에 형성될 수 있다. 다시 말해, 밀봉부(126b)는 충진부(126a)를 기준으로 양면에 밀봉부(126b)재가 결합되어 형성될 수 있다.
충진부(126a) 및 밀봉부(126b)에는 두께 방향으로 관통 형성되어 적어도 하나의 단위 셀(130)로 흐르는 연료가스가 이동되기 위한 홀이 구비될 수 있다.
이때, 충진부(126a)에 구비된 홀 및 밀봉부(126b)에 구비된 홀은 서로 연통될 수 있다.
집전판(122,124)의 두께(h)는 밀봉부(126b)의 두께(h1) 및 충진부(126a)의 두께(h2)에 관한 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
제1 집전판(122) 또는 제2 집전판(124)의 두께(h) = 충진부(126a)의 두께(h2) + (밀봉부(126b)의 두께(h1) X 2)
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 집전판(122) 또는 제2 집전판(124)의 두께는 충진부(126a)의 상면에 형성된 밀봉부(126b)의 두께와 충진부(126a)의 하면에 형성된 밀봉부(126b)의 두께 및 충진부(126a)의 두께를 모두 합산한 두께와 동일한 것이 바람직하다.
이에 따라, 집전판(122,124)의 중앙 부분과 양단의 두께가 고르게 형성됨으로써 단위 셀(130)을 보다 안정적으로 지지할 수 있다. 뿐만 아니라, 다수의 단위 셀(130) 적층 시 발생할 수 있는 흔들림 및 밀림 현상을 방지할 수 있다.
밀봉부(126b)는 스티커 형태 또는 점착 재질의 밀봉부재를 사용하여 스크린 인쇄 공정을 수행함으로써 충진부(126a)의 양면에 형성될 수 있다.
또한, 밀봉부(126b)는 주사기 또는 튜브에 주입된 탄성 재질의 밀봉부재를 짜내는 방식의 디스펜서 공정을 수행함으로써 충진부(126a)의 양면에 형성될 수 있다.
또한, 밀봉부(126b)는 롤 또는 전사판 등을 사용한 코팅 공정을 수행함으로써 충진부(126a)의 양면에 형성될 수 있다.
또한, 밀봉부(126b)는 접착제를 사용하여 접착 공정을 수행함으로써 충진부(126a)의 양면에 형성될 수 있다.
이로써, 본 실시예에 따르면, 밀봉부(126b)의 결합 공정을 단축시켜 셀 스택 제작에 대한 편의성 및 구조적 안정성을 높일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지의 제조방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이고, 도 7 및 도 8은 도 6의 고체산화물 연료전지의 제조방법을 구체적으로 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 단계(S610)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지의 제조장치는 몸체의 양 끝단에 충진부(126a)가 일체로 형성된 제1 집전판(122) 및 제2 집전판(124)을 준비할 수 있다.
이때, 제1 집전판(122) 및 제2 집전판(124)과 결합시키기 위한 연료극, 전해질막, 및 공기극이 적층된 적어도 하나의 단위 셀(130)을 더 준비할 수 있다.
제1 집전판(122) 및 제2 집전판(124)은 적어도 하나의 단위 셀(130)에서 형성되는 전기를 집전하는 장치로서, 몸체의 양 끝단에 충진부(126a)가 일체로 형성될 수 있다.
다음으로, 단계(S620)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지의 제조장치는 충진부(126a)의 양면에 밀봉부(126b)를 결합할 수 있다.
여기서, 접착 공정, 스크린 인쇄 공정, 디스펜서 공정 중 하나를 이용하여 충진부(126a)의 양면에 밀봉부(126b)를 결합할 수 있다.
이때, 충진부(126a)의 양면에 밀봉부(126b)가 형성되어 구현된 제1 집전판(122) 또는 제2 집전판(124)의 두께는 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
상기 제1 집전판(122) 또는 상기 제2 집전판(124)의 두께 = 상기 충진부(126a)의 두께 + (상기 밀봉부(126b)의 두께 X 2)
즉, 제1 집전판(122) 또는 제2 집전판(124)의 두께는 충진부(126a)의 상면에 형성된 밀봉부(126b)의 두께와 충진부(126a)의 하면에 형성된 밀봉부(126b)의 두께 및 충진부(126a)의 두께를 모두 합산한 두께와 동일한 것이 바람직하다.
다음으로, 단계(S630)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지의 제조장치는 적어도 하나의 단위 셀(130)의 양면에 제1 집전판(122) 및 제2 집전판(124)을 결합하여 고체산화물 연료전지를 제조할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 적어도 하나의 단위 셀(130)을 지지하기 위하여, 제1 집전판(122)의 타면에 제1 하우징(112)을 결합하고, 상기 제2 집전판(124)의 일면에 제2 하우징(114)을 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
하우징(112,114)은 적어도 하나의 단위 셀(130)을 지지하기 위해 사용되는 틀로서, 제1 집전판(122)의 타면 즉, 하부에 제1 하우징(112)이 결합되고, 제2 집전판(124)의 일면 즉, 상부에 제2 하우징(114)이 결합될 수 있다.
제1 하우징(112) 및 제2 하우징(114)을 결합하는 단계를 반영하여, 단계(S630)을 보다 자세하게 설명하면 다음과 같다.
일 실시예로, 도 4 및 도 7을 참조하면, 단계(S632a)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지의 제조장치는 제1 하우징(112)의 일면 즉, 상면에 제1 집전판(122)을 결합할 수 있다.
다음으로, 단계(S634a)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지의 제조장치는 제1 집전판(122)의 일면 즉, 상면에 단위 셀(130)을 결합할 수 있다.
다음으로, 단계(S636a)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지의 제조장치는 단위 셀(130)의 일면에 제2 집전판(124)을 결합할 수 있다.
다음으로, 단계(S638a)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지의 제조장치는 제2 집전판(124)의 일면에 제2 하우징(114)을 결합하여 고체산화물 연료전지를 제조할 수 있다.
즉, 본 실시예에서는, 제1 하우징(112) 및 제2 하우징(114) 사이에 제1 집전판(122), 단위 셀(130), 및 제2 집전판(124)을 차례대로 결합하여 고체산화물 연료전지를 제조할 수 있다.
다른 실시예로, 도 4 및 도 8을 참조하면, 단계(S632b)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지의 제조장치는 단위 셀(130)의 양면에 각각 제1 집전판(122) 및 제2 집전판(124)을 결합할 수 있다.
다음으로, 단계(S634b)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지의 제조장치는 제1 하우징(112)의 일면 즉, 상면에 단위 셀(130)을 결합할 수 있다.
다음으로, 단계(S636b)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지의 제조장치는 단위 셀(130)의 일면에 제2 하우징(114)을 결합하여 고체산화물 연료전지를 제조할 수 있다.
즉, 본 실시예에서는, 단위 셀(130)의 양면에 제1 집전판(122) 및 제2 집전판(124)을 먼저 결합한 후, 제1 하우징(112) 및 제2 하우징(114) 사이에 결합시킬 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 전기단자
20a : 가스 유입부
20b : 가스 배출부
112 : 제1 하우징
114 : 제2 하우징
122 : 제1 집전판
124 : 제2 집전판
126a : 충진부
126b : 밀봉부
130 : 단위 셀

Claims (11)

  1. 연료극, 전해질막, 및 공기극을 포함하는 적어도 하나의 단위 셀;
    상기 적어도 하나의 단위 셀의 양면에 마련되며, 몸체의 양 끝단의 동일한 층에 충진부가 일체로 형성된 제1 집전판 및 제2 집전판; 및
    상기 충진부의 양면에 밀봉부재가 각각 결합되어 형성된 밀봉부
    를 포함하고,
    상기 제1 집전판 또는 상기 제2 집전판의 두께는 하기 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지.
    [수학식 1]
    상기 제1 집전판 또는 상기 제2 집전판의 두께 = 상기 충진부의 두께 + (상기 밀봉부의 두께 X 2)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단위 셀을 지지하기 위하여, 상기 제1 집전판의 타면에 형성되는 제1 하우징 및 상기 제2 집전판의 일면에 형성되는 제2 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충진부 및 상기 밀봉부에는 두께 방향으로 관통 형성되어 상기 적어도 하나의 단위 셀로 흐르는 연료가스가 이동되기 위한 홀이 구비되며,
    상기 충진부에 구비된 홀 및 상기 밀봉부에 구비된 홀은 서로 연통되는 것을 특징으로 하는 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 밀봉부는 접착 공정, 스크린 인쇄 공정, 디스펜서 공정 중 하나를 이용하여 상기 충진부의 양면에 형성되는 것을 특징으로 하는 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지는 평관형인 것을 특징으로 하는 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지.
  7. 연료극, 전해질막, 및 공기극이 적층된 적어도 하나의 단위 셀을 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법에 있어서,
    몸체의 양 끝단의 동일한 층에 충진부가 일체로 형성된 제1 집전판 및 제2 집전판을 준비하는 단계;
    상기 충진부의 양면에 밀봉부재를 각각 결합하여 밀봉부를 결합하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 단위 셀의 양면에 상기 제1 집전판 및 상기 제2 집전판을 결합하여 상기 고체산화물 연료전지를 제조하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 집전판 또는 상기 제2 집전판의 두께는 하기 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지의 제조방법.
    [수학식 1]
    상기 제1 집전판 또는 상기 제2 집전판의 두께 = 상기 충진부의 두께 + (상기 밀봉부의 두께 X 2)
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단위 셀을 지지하기 위하여, 상기 제1 집전판의 타면에 제1 하우징을 결합하고, 상기 제2 집전판의 일면에 제2 하우징을 결합하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 충진부의 양면에 밀봉부를 결합하는 단계는
    접착 공정, 스크린 인쇄 공정, 디스펜서 공정 중 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 수소극, 전해질막, 및 공기극을 포함하는 적어도 하나의 단위 셀;
    상기 적어도 하나의 단위 셀의 양면에 마련되며, 몸체의 양 끝단의 동일한 층에 충진부가 일체로 형성된 제1 집전판 및 제2 집전판; 및
    상기 충진부의 양면에 밀봉부재가 각각 결합되어 형성된 밀봉부
    를 포함하고,
    상기 제1 집전판 또는 상기 제2 집전판의 두께는 하기 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 수전해장치.
    [수학식 1]
    상기 제1 집전판 또는 상기 제2 집전판의 두께 = 상기 충진부의 두께 + (상기 밀봉부의 두께 X 2)
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