KR200184143Y1 - 용융탄산염형 연료전지의 분리판 - Google Patents

Abstract

목적 : 반응가스의 유, 출입을 원활히 하고 애노드 및 캐소드에서 발생된 전기의 흐름을 연결시켜 주는 용융탄산염형 연료전지의 분리판에 관한 것으로서, 특히 애노드 집전판과 기타 부재의 재질상 차이로 인하여 열응력이 발생되고 확산 열처리시 변형 및 파손되며, 접촉 저항이 증가되는 문제점을 해소하고자 한다.

구성 : 센타 플레이트에 인접하여 각각 상, 하로 배치된 애노드 집접판 및 캐소드 집전판이 센타 플레이트의 테두리 상, 하부에 각각 용접 접합된 애노드 마스크판 및 캐소드 마스크판에 의해 클램핑 지지되게 함에 있어, 상기 애노드 마스크판(48)에 의해 지지되고 실링된 영역에서, 애노드 집전판(44)의 일부를 절취하여 제거하므로 열팽창 여유부(56a)가 형성될 수 있도록 한다. 여기서 상기한 열팽창 여유부는 반응가스의 매니폴드 구멍(54)을 경계로 그 안쪽이나, 안쪽 및 바깥쪽을 포함한 주변이나, 매니폴드 구멍을 포함한 바깥쪽에 각각 형성될 수 있다.

효과 : 애노드 집전판 및 캐소드 집전판의 일부를 분할 및 제거하여 열팽창 여유부를 형성하므로, 상기 집전판이 늘어날 여유 공간을 확보하고, 기타 부재들과의 열응력 차이를 상쇄시켜 확산 열처리후 분리판의 변형 및 파손을 방지할 수 있다.

Description

용융탄산염형 연료전지의 분리판

본 고안은 차세대 발전장치인 용융탄산염형 연료전지(이하 MCFC로 약칭함)를 구성하는 것으로, 특히 반응가스의 유, 출입을 원활히 하고 애노드 및 캐소드에서 발생된 전기의 흐름을 연결시켜 주는데 적합하게 이용될 수 있는 MCFC의 분리판에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 MCFC는 반응물의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 고효율, 저공해의 차세대 발전장치로 주목받고 있다.

이러한 MCFC는 도 10에 표시된 바와 같이, 애노드(2)와 캐소드(4) 및 그 사이에 전해질 매트릭스(6)가 있고, 애노드(2)와 캐소드(4) 및 전해질 매트릭스(6)의 기공내에 전해질이 함침되어 있으며, 애노드(2)와 캐소드(4)가 각각 전기를 집전하고 반응가스(8)를 전극으로 전달하는 전류 집전체(10a)(10b)에 인접되어서, 반응가스(8)의 유, 출입 및 전기의 흐름을 연결시켜주는 분리판(12)에 의해 지지되는 구조로 되어 있다.

이러한 구성에 따라 MCFC는 연속적으로 공급되는 반응 가스(8)를 수소로 개질하고, 그 수소에 의해 캐소드(4)에서 반응물의 산화 반응이 일어나 전자를 방출하는 것이며, 애노드(2)에서 환원 반응이 일어나 전자를 받아들임으로써 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하여 발생하게 된다.

여기서 MCFC의 전해질로는 저온에서 용융되는 탄산염의 혼합물이며 가장 널리 사용되는 조성인 62mol％ Li₂CO₃-38mol％ K₂CO₃ 혼합물이 사용되고, 캐소드(4)로는 NiO, 애노드(2)로는 Ni-Cr의 합금, 전해질 매트릭스(6)로는 LiAlO₂가 사용되는 것이며, 애노드(2) 전류 집전체(10a)로는 인코넬, 캐소드(4) 전류 집전체(10b)로는 스테인리스 스틸이 사용되고 있다. 또 분리판(12)으로는 스테인리스 스틸이 일반적으로 사용되고 있다.

도 11 내지 도 13은 MCFC를 구성하는 요소들 중에서 반응가스의 유, 출입을 원활하게 하고 전기의 흐름을 연결시켜주는 분리판(12)을 나타내고 있으며, 이것은 프레스 성형에 의해 제조된 구성을 나타내고 있다.

도면에서와 같이 분리판(12)은 센타 플레이트(14)의 상부 전체에 애노드 집전판(16)이 배치되고, 그 애노드 집전판(16)이 센타 플레이트(14)의 둘레에 용접 접합되고 습식 기밀부(wet-seal area)(20)를 이루는 애노드 마스크판(22)에 의해 지지되며, 센타 플레이트(14)의 하부 전체에는 캐소드 집전판(18)이 배치되고, 그 캐소드 집전판(18)이 센타 플레이트(14)의 둘레에 용접 접합되고 습식 기밀부(20)를 이루는 캐소드 마스크판(24)에 의해 지지되는 것이며, 습식 기밀부(20)에는 매니폴드 구멍(26)이 형성된 구성으로 되어 있다.

이러한 분리판(12)은 매니폴드 구멍(26)을 통해 공급된 반응가스가 애노드 집전판(16) 및 캐소드 집전판(18)의 요철에 의해 형성된 유로 공간(28)을 통해 안내되어서, 그 상, 하부에 접촉된 애노드 및 캐소드로 공급되게 하는 것이다.

그러나 지금까지의 분리판(12)은 그 내부로 삽입되는 애노드 집전판(16)의 재질이 인코넬로 되어 있어, 확산 열처리시 스테인리스 스틸로 된 센타 플레이트(14) 및 애노드 마스크판(22) 보다 열팽창 양이 큼으로 인해 그 중앙부에서 분리판(12)과 밀착되지 않고 떨어지는 문제점이 있다. 이러한 문제점은 접촉 저항을 증가시킬 뿐아니라 전극이나 전해질 매트릭스가 응력에 의해 깨지게 되는 결과를 초래하게 된다. 또 애노드 집전판(16)은 고가인 인코넬을 사용하기 때문에 제품의 생산 비용을 증가시키게 된다.

또한 지금까지의 분리판(12)은 습식 기밀부(20)에 스프링 효과를 주어 소위 소프트 레일(soft-rail)을 만들고자 하였으나, 실질적으로는 애노드 및 캐소드 집전판(16)(18)이 너무 밀착되어 있어 그 역할을 하지 못하고 있는 실정이다.

앞서 설명된 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 목적에서 안출된 것으로, 본 고안은 애노드 집전판의 일부를 분할하여 열팽창에 대한 여유 공간을 마련하고 기타 부재와의 열응력 차이를 상쇄시킴으로써, 확산 열처리시의 변형을 방지할 수 있도록 한 MCFC의 분리판을 제공함에 그 목적을 두고 있다.

이를 위하여 본 고안은 센타 플레이트에 인접하여 각각 상, 하로 배치된 애노드 집접판 및 캐소드 집전판이 센타 플레이트의 테두리 상, 하부에 각각 용접 접합된 애노드 마스크판 및 캐소드 마스크판에 의해 클램핑 지지되게 한 구성에 있어, 상기 애노드 마스크판에 의해 지지되고 실링된 영역에서, 애노드 집전판의 일부를 절취하여 제거하므로 얻어지는 열팽창 여유부를 구비한 MCFC의 분리판을 제안한다.

여기서 상기한 열팽창 여유부는 반응가스의 매니폴드 구멍을 경계로 그 안쪽이나, 안쪽 및 바깥쪽을 포함한 주변이나, 매니폴드 구멍을 포함한 바깥쪽에 각각 형성되어 열응력에 의한 팽창시 유연성을 부여하므로, 확산 열처리후 분리판 전체의 구조 변형을 방지할 수 있는 것이다.

도 1은 본 고안의 용융탄산염형 연료전지의 분리판을 보인 평면도.

도 2는 도 1의 A-A선을 절취 도시한 단면도.

도 3은 도 1의 B-B선을 절취 도시한 단면도.

도 4는 본 고안의 실시예 2를 보인 평면도.

도 5는 도 4의 C-C선을 절취 도시한 단면도.

도 6은 도 4의 D-D선을 절취 도시한 단면도.

도 7은 본 고안의 실시예 3을 보인 평면도.

도 8은 도 7의 E-E선을 절취 도시한 단면도.

도 9는 도 7의 F-F선을 절취 도시한 단면도.

도 10은 일반적인 용융탄산염형 연료전지의 구조를 도시한 단면도.

도 11은 종래 공지된 용융탄산염형 연료전지의 분리판을 보인 평면도.

도 12는 도 11의 G-G선을 절취 도시한 단면도.

도 13은 도 11의 H-H선을 절취 도시한 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

40-분리판 42-센타 플레이트

44-애노드 집전판 46-캐소드 집전판

48-애노드 마스크판 50-캐소드 마스크판

52-습식 실링부 54-매니폴드 구멍

56a,56b,56c-열팽창 여유부

이하, 본 고안을 실현하기 위한 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

실시예 1

도 1은 본 실시예에 의한 MCFC의 분리판을 보인 평면도이고, 도 2는 도 1의 A-A선을 절취한 단면도, 도 3은 도 1의 B-B선을 절취한 단면도를 보여주고 있다.

도면을 통하여 알 수 있듯이, 본 실시예의 분리판(40)은 센타 플레이트(42)의 상부에 애노드 집전판(44)이 인접하여 배치되고, 그 하부에 캐소드 집전판(46)이 인접하여 배치되는 것이며, 센타 플레이트(42)의 테두리 끝에 용접 접합되는 상, 하부의 애노드 마스크판(48) 및 캐소드 마스크판(50)에 의해 상기한 부재들이 하나로 어셈블리되어 지지되는 구성으로 되어 있다.

애노드 마스크판(48)과 캐소드 마스크판(50)은 부식성이 강한 용융탄산염이 함유된 전해질 매트릭스와 직접 접촉되는 것으로 습식 기밀부(52)를 구성하고 있다. 습식 기밀부(52)에는 일정 연장선상에 배열되도록 반응가스의 매니폴드 구멍(54)이 형성되어 있다.

이렇게 구성된 본 실시예의 분리판(40)은 특히 인코넬로 된 애노드 집전판(44)과 스테인리스 스틸로 된 기타 부재들과의 열팽창 양의 차이에 따른 문제점을 해소하기 위하여, 애노드 마스크판(48)에 의해 지지되고 실링된 영역 즉, 습식 기밀부(52)에서, 애노드 집전판(44)의 일부를 절취하여 제거하므로 열팽창 여유부(56a)를 형성한 구성으로 이루어진다.

열팽창 여유부(56a)는 반응가스의 매니폴드 구멍(54)을 경계로 그 안쪽으로 형성되는 것이며, 열응력에 의한 팽창시 애노드 집전판(44)이 늘어날 수 있는 여유 공간을 부여하므로 확산 열처리후 분리판(40) 전체의 구조 변형을 방지할 수 있다. 이러한 열팽창 여유부(56a)는 도면에서와 같이 확산 열처리 공정을 고려하여 캐소드 집전판(46)에도 마찬가지로 적용할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 재질의 상이함에 따른 열응력 차이를 해소하는 방안으로, 애노드 집전판(44)의 재질을 스테인리스 스틸로 하고 부식을 막기 위해 그 표면에 니켈 전기도금을 실시한 것이며, 이로 인하여 열팽창 양의 차이를 최소화하고 동시에 제조비용을 낮추고자 한 것이다.

실시예 2

도 4은 본 실시예에 의한 MCFC의 분리판을 보인 평면도이고, 도 5는 도 4의 C-C선을 절취한 단면도, 도 6은 도 4의 D-D선을 절취한 단면도를 보여주고 있다.

도면을 통하여 알 수 있듯이, 본 실시예의 분리판(40)은 실시예 1을 통하여 설명한 구성을 모두 포함하고 있다.

다만, 본 실시예에서는 애노드 집전판(44) 및 캐소드 집전판(46)과 기타 부재들과의 열팽창 양의 차이에 따른 문제점을 해소하기 위한 방안으로, 애노드 마스크판(48) 및 캐소드 마스크판(50)에 의해 지지되고 실링된 영역 즉, 습식 기밀부(52)에서, 애노드 집전판(44) 및 캐소드 집전판(46)의 일부를 절취하여 제거하므로 열팽창 여유부(56b)를 형성한 구성으로 이루어진다.

열팽창 여유부(56b)는 반응가스의 매니폴드 구멍(54)을 포함한 안쪽 및 바깥쪽의 주변에 형성되는 것이며, 열응력에 의한 팽창시 애노드 집전판(44)이 늘어날 수 있는 여유 공간을 부여하므로 확산 열처리후 분리판(40) 전체의 구조 변형을 방지하고 있다.

실시예 3

도 7은 본 실시예에 의한 MCFC의 분리판을 보인 평면도이고, 도 8은 도 7의 E-E선을 절취한 단면도, 도 9는 도 7의 F-F선을 절취한 단면도를 보여주고 있다.

도면을 통하여 알 수 있듯이, 본 실시예의 분리판(40)은 실시예 1을 통하여 설명한 구성을 모두 포함하고 있다.

다만, 본 실시예에서는 애노드 집전판(44) 및 캐소드 집전판(46)과 기타 부재들과의 열팽창 양의 차이에 따른 문제점을 해소하기 위한 방안으로, 애노드 마스크판(48) 및 캐소드 마스크판(50)에 의해 지지되고 실링된 영역 즉, 습식 기밀부(52)에서, 애노드 집전판(44) 및 캐소드 집전판(46)의 일부를 절취하여 제거하므로 열팽창 여유부(56c)를 형성한 구성으로 이루어진다.

열팽창 여유부(56c)는 반응가스의 매니폴드 구멍(54)을 포함하여 그 바깥쪽의 주변에 형성되는 것이며, 열응력에 의한 팽창시 애노드 집전판(44)이 늘어날 수 있는 여유 공간을 부여하므로 확산 열처리후 분리판(40) 전체의 구조 변형을 방지하고 있다.

또한 본 실시예에서는 습식 기밀부(52)에 스프링 효과를 부여하기 위해 삽입되었지만 그 효과가 없었던 애노드 집전판(44) 및 캐소드 집전판(46)을 완전히 제거한 것이므로, 제조 비용을 줄일 수 있고 애노드 집전판(44) 및 캐소드 집전판(46)의 열팽창에 의한 전해질 매트릭스의 파손 가능성을 해소할 수 있는 것이다.

이상에서 설명된 구성에 의거하여 본 고안의 분리판(40)은 애노드와 캐소드 및 그 사이의 전해질 매트릭스를 포함하는 단전지를 구획하는 것이며, 상기 애노드 및 캐소드가 각각 애노드 집전판(44) 및 캐소드 집전판(46)에 접촉되게 하고, 부식성이 강한 알칼리 용융탄산염을 포함하는 상기 전해질 매트릭스가 습식 기밀부(52)를 구성하는 애노드 마스크판(48) 및 캐소드 마스크판(50)과 직접 접촉되게 하므로, 매니폴드 구멍(54)을 통해 공급된 반응가스가 애노드 집전판(44) 및 캐소드 집전판(46)의 요철에 의해 형성된 유로 공간(58)을 통해 안내되어서, 그 상, 하부에 접촉된 캐소드에서 산화되고 애노드에서 환원되도록 하는 것이다.

이상에서 설명된 실시예을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 고안에 의한 MCFC의 분리판은 종래 기술의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.

즉, 본 고안은 애노드 집전판 및 캐소드 집전판의 일부를 분할 및 제거하여 열팽창 여유부를 형성하므로, 상기 집전판이 늘어날 여유 공간을 확보하고, 기타 부재들과의 열응력 차이를 상쇄시켜 확산 열처리후 분리판의 변형 및 파손을 방지할 수 있는 것이며, 결과적으로 전지의 장수명을 실현하는 효과를 얻을 수 있다.

또 본 고안은 애노드 집전판을 스테인리스 스틸로 대체하고, 습식 기밀부의 불필요한 애노드 집전판 및 캐소드 집전판을 제거하므로 제조 비용을 줄이는 효과도 아울러 얻을 수 있다.

Claims (7)

1. 센타 플레이트에 인접하여 각각 상, 하로 배치된 애노드 집접판 및 캐소드 집전판이 센타 플레이트의 테두리 상, 하부에 각각 용접 접합된 애노드 마스크판 및 캐소드 마스크판에 의해 클램핑 지지되게 한 용융탄산염형 연료전지의 분리판에 있어서, 상기 애노드 마스크판에 의해 지지되고 실링된 영역에서, 애노드 집전판의 일부를 절취 제거하여 열팽창 여유부가 형성되게 한 것을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지의 분리판.
2. 제 1 항에 있어서, 열팽창 여유부는 반응가스의 매니폴드 구멍의 안쪽으로 형성된 것임을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지의 분리판.
3. 제 1 항에 있어서, 열팽창 여유부는 반응가스의 매니폴드 구멍 연장선에 대하여 안쪽과 바깥쪽을 포함한 주변에 형성된 것임을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지의 분리판.
4. 제 1 항에 있어서, 열팽창 여유부는 반응가스의 매니폴드 구멍을 포함하고, 그 연장선에 대하여 바깥쪽에 형성된 것임을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지의 분리판.
5. 제 1 항에 있어서, 애노드 집전판은 스테인리스 스틸로 된 것임을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지의 분리판.
6. 제 1 항에 있어서, 캐소드 마스크판에 의해 지지되고 실링된 영역에서, 캐소드 집전판의 일부를 절취 제거하여 열팽창 여유부가 형성되게 한 것을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지의 분리판.
7. 제 6 항에 있어서, 열팽창 여유부는 반응가스의 매니폴드 구멍의 안쪽으로 형성된 것임을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지의 분리판.