KR102251164B1 - 고체산화물 연료전지 스택용 용접접합구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지 스택용 용접접합구조에 관한 것으로서 특히, 종횡비가 높은 용접부를 형성시켜 재료 표면으로 올라오는 용접비드의 높이를 최소화하여 분리판 및 셀프레임이 다른 부품과 적층 결합될 때 조립 용이성과 정밀도가 확보될 수 있고, 격자형태의 용접방법을 적용하여 리크에 대한 저항성을 향상시키도록 하는 고체산화물 연료전지 스택용 용접접합구조에 관한 것이다.

Description

고체산화물 연료전지 스택용 용접접합구조{WELDING BONDING(JUNCTION) STRUCTURE FOR THE SOLID OXIDE FUEL CELL STACK}

본 발명은 고체산화물 연료전지 스택용 용접접합구조에 관한 것으로서 특히, 종횡비가 높은 용접부가 형성되는 가운데 표면으로 노출되는 용접비드의 높이를 최소화하여 분리판 및 셀프레임이 다른 부품과 적층 결합될 때 조립 용이성, 정밀도 및 기밀특성이 확보될 수 있도록 하는 고체산화물 연료전지 스택용 용접접합구조에 관한 것이다.

일반적으로 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극, cathode) 및 연료극(음극, anode)을 갖는 분리판으로 구비되어 있다.

공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동한 후 다시 연료극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성되며, 이때 연료극에서 전자가 생성되고 공기극에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류가 발생된다.

이러한 SOFC의 종래의 기술로 등록특허공보 제10-1424701호(2014.07.23.)의 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈 및 그 제조방법과 공개특허공보 제10-2020-0077329호(2020.06.30.)의 전극 탭 용접 방법 및 이를 이용하여 제조된 전극 조립체가 제안되었으나, 이는 겹침부로부터 레이저의 용접 범위에 따라 레이저 용접이 수행되도록 하였으나, 용접 비드의 높이가 높아 전극 조립체 부피가 증가되는 가운데 열변형이 발생되는 문제점이 있었다.

한편, 도4는 종래 기술에 따른 연료전지 스택용 분리판이 브레이징에 의하여 구비된 사시도와 분해 사시도로서, 분리판(400)은 상부의 음극 레이어(410)와 하부의 양극 레이어(420) 및 필러 메탈(430)로 구비되어 브레이징으로 결합되도록 구비되어 있다.

브레이징은 필러 메탈의 용융점 근처인 고온환경에서 제작됨으로써, 다양한 문제점이 발생되는 원인이 있었고, 전기로를 이용하여 분리판 전체가 승온되는 과정에서 승온 시간이 오래 걸리는 원인이 있었고, 분리판 전체가 고온의 상황에서 열팽창 이후 냉각시 수축으로 말려드는 랩핑 현상이 발생되는 원인으로 인하여 충분한 두께 이상으로 분리판을 제작함으로써, 단위 부품의 무게가 증가되는 문제점이 있었다.

도5는 종래 기술에 따른 연료전지 스택용 분리판이 레이저 용접에 의하여 구비된 사시도와 분해 사시도로서, 분리판(500)은 상부의 음극 레이어(510) 및 하부의 양극 레이어(520)가 겹쳐져 용접이음으로 결합되도록 구비되어 있다.

도6은 종래 기술에 따른 연료전지 스택용 셀프레임의 구조를 도시한 사시도로서, 셀프레임(600)은 하부 패널(610)의 윗면에 셀이 장착되는 상부 패널(620)의 밑면이 얹혀지도록 하고, 가장자리가 레이저 용접부(630)에 의하여 접합되도록 구비되어 있다.

도7은 종래 기술에 따른 연료전지 스택용 금속 분리판 및 셀프레임의 레이저 용접부를 도시한 단면도로서, 레이저 용접부(630)는 브레이징 대비 대기중에서 작업이 진행되어 공정이 단순하며, 열영향이 최소화되어 변형량이 적으나, 용접부 유효 단면적이 브레이징보다 상대적으로 작기 때문에 용접부 유효단면적을 넓히기 위해 입열량을 증가시킬 경우, 용접변형 및 용접비드 높이가 높아져 품질에 영향이 미치는 문제점이 있었다.

등록특허공보 제10-1424701호(2014.07.23.) 공개특허공보 제10-2020-0077329호(2020.06.30.)

본 발명은 변형이 최소화되는 가운데 기계적 특성이 확보될 수 있도록 하고, 종횡비가 높은 용접부에 의하여 표면으로 올라오는 용접비드의 높이를 최소화하여 분리판이나 셀프레임이 다른 부품과 적층 결합될 때 조립 용이성과 정밀도가 확보될 수 있도록 하고, 아울러 기밀도가 유지될 수 있는 고체산화물 연료전지 스택용 용접접합구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

하부패널(100)의 윗면에 상부패널(200)의 밑면이 얹혀지게 구비되고, 고품질의 싱글모드 레이저빔이 상부패널(200)의 윗면에서 하부패널(100)의 내부를 향하여 조사되어 구비되는 비드 용융 접합부(300)가 포함됨으로써, 종횡비가 높은 용접부를 형성시켜 재료 표면으로 올라오는 용접비드의 높이를 최소화하여 분리판이나 셀프레임이 다른 부품과 적층 결합될 때 조립 용이성이 확보될 수 있도록 구성된다.

또한, 용융 조인 비드부(340)을 형성시켜 용접 접합부 유효 단면적을 증가시켜 기계적 특성을 향상시키고 여러층의 격자용접을 진행함으로서 리크에 대한 저항성을 증가시키도록 구성할수 있다.

따라서, 본 발명은 용접 접합면 확대 및 조절을 통해 변형이 최소화될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 비드 높이가 최소화될 수 있도록 하여 분리판 및 셀프레임이 다른 부품과 결합하여 적층될 때 충분한 조립 용이성 확보될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 리크에 대한 저항성이 높아지도록 격자, 다양한 패턴 형태 등의 용접 궤적이 구비되도록 하여 충분한 기밀 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.

그리고 이를 통해 기계적 특성이 충분하게 확보될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스택용 용접접합구조를 도시한 사시도.
도2는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스택용 용접접합구조를 도시한 종단면도.
도3은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스택용 용접접합구조를 얻기 위한 고품질의 싱글모드 레이저빔이 조사되도록 구비된 시스템의 모식도.
도4는 종래 기술에 따른 고체산화물 연료전지 스택용 분리판이 브레이징에 의하여 구비된 사시도와 분해 사시도.
도5는 종래 기술에 따른 고체산화물 연료전지 스택용 분리판이 레이저 용접에 의하여 구비된 사시도와 분해 사시도.
도6은 종래 기술에 따른 고체산화물 연료전지 스택용 셀프레임의 구조를 도시한 사시도.
도7은 종래 기술에 따른 고체산화물 연료전지 스택용 용접접합구조의 레이저 용접부를 도시한 단면도.

이하, 본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 실시 예들은 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있으며, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

우선, 본 발명은 하부패널(100), 상부패널(200), 비드 용융 접합부(300) 중 어느 하나의 구성을 포함하여 구성될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 더욱 상세히 설명한다.

도1 및 도2를 참조하면,

도1은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스택용 용접접합구조를 도시한 사시도이고, 도2는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스택용 용접접합구조를 도시한 종단면도이다.

일 실시예에 따른 본 발명의 고체산화물 연료전지 스택용 용접접합구조는 하부패널(100), 상부패널(200) 및 비드 용융 접합부(300)가 포함되도록 구비된 것으로, 상기 하부패널(100)의 윗면에 상부패널(200)의 밑면이 얹혀지게 구비되고, 상기 비드 용융 접합부(300)는 고품질의 싱글모드 레이저빔이 상부패널(200)의 윗면에서 하부패널(100)의 내부를 향하여 조사되어 용융됨에 따라 구비된다.

여기에서, 상기 비드 용용 접합부(300)는 상기 하부패널(100)에 하부 용용 침투부(310)가 침투되도록 구비되어 있고, 상기 하부 용융 침투부(310)의 상부와 일체로 용융되게 상부 용융 침투부(320)가 상부패널(200)을 관통하여 침투되도록 구비되어 있다.

상기 상부 용융 침투부(320)의 상부와 일체로 용융되게 구비된 용융 비드부(330)가 상기 상부패널(200)의 윗면에 노출되도록 구비되어 있고, 상기 하부 용융 침투부(310)와 상부 용융 침투부(320) 및 용융 비드부(330)가 다수열로 배열되게 구비되는 가운데 상기 용융 비드부(330)와 이웃하는 다른 용융 비드부(330)가 용융 조인 비드부(340)에 의하여 접합되는 것이 포함됨으로써, 리크에 대한 저항성이 높아지도록 하여 충분한 기밀 특성이 유지될 수 있도록 구비되어 있다.

상기 상부 용융 침투부(320)는 상부패널(200)의 윗면으로부터 밑면을 향하여 단면적이 점진적으로 줄어드는 병목 용융 침투부(321)가 포함되어 넓은 용융 접합 단면적이 확보될 수 있도록 구비되어 있다.

상기 용융 비드부(330)는 상부패널(200)의 윗면으로부터 노출된 부분의 가장자리가 이웃하는 다른 용융 비드부(330)의 가장자리가 맞닿도록 구비되어 좁은 면적의 공간 활용률을 높이는 가운데 이로 인해 용접 접합면 확대 및 조절을 통해 변형이 최소화될 수 있도록 구비되어 있다. 이때, 상기 용융 비드부(330)는 상부패널(200)의 윗면으로부터 노출된 부분의 가로 길이(L)가 세로 높이(H) 보다 길게 구비되도록 함으로써, 비드 높이가 최소화될 수 있도록 하여 다른 부품과 결합하여 적층될 때 충분한 조립 용이성 확보될 수 있도록 구비되어 있다.

상기 용융 조인 비드부(340)는 상부패널(200)의 윗면을 노출된 용융 비드부(330)가 일체로 연결되도록 하는 것으로, 하부가 상부패널(200)과 용융 비드부(330)의 윗면에 용융되어 침투되게 구비되어 리크에 대한 저항성이 높아지도록 구비되어 있다. 이때, 상기 용융 조인 비드부(340)는 상부가 용융 비드부(330)의 상단과 일치되도록 하는 것이 바람직하다. 이는 비드의 높이가 최소한으로 유지되도록 하기 위함이다.

이러한 상기 용융 조인 비드부(340)는 격자형태를 갖도록 하는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 격자형태를 갖도록 하였으나, 이러한 격자형태 이외에 원형, 다각형 및 다양한 형태 중 어느 하나의 형태가 더 포함되도록 하는 것이 더욱 바람직하다.

도3을 참조하면,

도3은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스택용 용접접합구조를 얻기 위한 고품질의 싱글모드 레이저빔이 조사되도록 구비된 시스템의 모식도이다.

기존의 레이저 용접은 궤적을 움직일수 있는 기계구동부(X-Y스테이지)에 레이저 용접헤드를 장착하여 정해진 용접궤적에 레이저 빔을 조사하여 용접하는 방식으로 직선구간을 제외한 원, 반원, 곡면등에서는 X-Y 스테이지의 속도보간 등의 문제로 직선구간과 비교하여 정확한 용접궤적 구현을 위해서는 용접속도를 감소시켜 용접이 이루어지도록 하였으나, 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 도3에 도시된 바와 같이, 갈바노미터(GM)가 장착된 레이저 스캐너 헤드(HD)를 활용하여 정확한 용접궤적이 구현되도록 하는 가운데 용접속도를 향상시킬 수 있는 레이저 광학기술이 활용되도록 하는 것이 바람직하다.

이를 통해 상기 용융 조인 비드부(340)의 형태가 격자형태, 원형, 다각형 및 다양한 형태 중 임의 형태로 이루어질 수 있게 된다. 이때, 레이저 소스는 레이저 빔질이 우수하며 좁고 깊은 용입이 가능하고, 작은 빔 사이즈로 집속이 가능한 싱글 모드 레이저가 이용되도록 하는 것이 바람직하다.

이상에서 본 발명은 도면에 도시된 바를 바탕으로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 도면에 한정되는 것은 아니다.

100:하부패널 200:상부패널
300:비드 용융 접합부 310:하부 용용 침투부
320:상부 용융 침투부 321:병목 용융 침투부
330:용융 비드부 340:용융 조인 비드부

Claims (7)

1. 하부패널(100)의 윗면에 상부패널(200)의 밑면이 얹혀지게 구비되고, 고품질의 싱글모드 레이저빔이 상부패널(200)의 윗면에서 하부패널(100)의 내부를 향하여 조사되어 구비되는 비드 용융 접합부(300)가 포함됨을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택용 용접접합구조에 있어서,
   상기 비드 용융 접합부(300)는
   하부패널(100)에 침투된 하부 용융 침투부(310)와;
   상부패널(200)을 관통하여 침투된 것으로, 상부패널(200)의 윗면으로부터 밑면을 향하여 단면적이 점진적으로 줄어드는 병목 용융 침투부(321)가 포함되고, 상기 하부 용융 침투부(310)의 상부와 일체로 용융되게 구비된 상부 용융 침투부(320)와;
   상기 상부패널(200)의 윗면에 노출된 것으로, 상부패널(200)의 윗면으로부터 노출된 부분의 가장자리가 이웃하는 다른 용융 비드부(330)의 가장자리가 맞닿도록 구비되고, 상부패널(200)의 윗면으로부터 노출된 부분의 가로 길이(L)가 세로 높이(H) 보다 길게 구비되며, 상기 상부 용융 침투부(320)의 상부와 일체로 용융되게 구비된 용융 비드부(330); 및
   상기 하부 용융 침투부(310)와 상부 용융 침투부(320) 및 용융 비드부(330)가 다수열로 배열되게 구비되고, 상기 용융 비드부(330)와 이웃하는 다른 용융 비드부(330)가 상부패널(200)과 용융 비드부(330)의 윗면에 용융되어 침투되게 구비되고, 상부가 용융 비드부(330)의 상단과 일치되는 용융 조인 비드부(340)에 의하여 접합되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택용 용접접합구조.
   
   
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