KR20030035433A - 용융탄산염 연료전지 분리판의 집전판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융탄산염 연료전지 스택에 사용되는 분리판의 기본형태를 유지하면서 운전시 양극과 음극의 가스유량차이에 따른 유동압력차를 조절하여 대형 연료전지 스택의 장기운전 안정성을 향상시키고, 더 나아가 양극과 음극의 재료 특성에 따른 반응 가스 전달면적의 조절을 가능케 하는 용융탄산염 연료전지 분리판에 관한 것으로, 양극가스와 음극가스가 흐르는 동일한 형상의 동일규칙배열로 슬롯(100)이 형성된 양극 집전판(26)과 음극 집전판(22)을 갖는 용융탄산염 연료전지 분리판의 집전판에 있어서, 음극 집전판에서 음극가스의 흐름이 슬롯(100,100')의 배열에 의해 제어되게 슬롯(100) 사이에 슬롯(100')이 엇갈리게 배열되어 십자형 슬롯배열을 갖는 음극 집전판(102)이 마련된 것이다.

Description

용융탄산염 연료전지 분리판의 집전판{Current collectors of molten carbonate fuel cell separators}

본 발명은 고효율 저공해의 에너지를 발생하는 용융탄산염 연료전지 분리판의 집전판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 집전판을 이루는 슬롯의 배열을 양극과 음극에 대해 각각 다르게 적용시켜 양극과 음극의 가스 유량 차이에 따른 유동 압력차를 조절하여 대형 연료전지 스택의 장기 운전 안정성을 향상시킴과 더불어 양극과 음극의 특성에 따라 반응 가스 전달면적의 조정을 가능케 하는 용융탄산염 연료전지 분리판의 집전판에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료 가스와 공기가 음극과 양극으로 주입되어 각각 전기 화학 반응을 일으키면서 전해질을 통한 이온 전도가 진행되고 외부 회로를 통해 전자 전도가 진행되어, 전극 및 전해질 특성에 맞는 조건하에서 연료와 공기 주입이 유지되는 한 계속하여 전기를 얻을 수 있는 에너지 발생 장치이다.

이러한 연료전지는 고효율의 발전 방식이고 공해 물질 배출이 매우 적은 장점이 있으며, 사용하는 전해질의 종류에 따라 작동 온도 및 전극 재료, 그리고 응용 분야가 다양하게 존재한다.

이 중 용융탄산염 연료전지는 용융염을 전해질로 사용하고 작동온도가 650℃의 고온이어서, MW급 규모의 고정형 발전에 적합하며, 이를 위해서는 1㎡ 면적 규모의 평판형 전지 수십 또는 수백장을 적층한 스택(stack)이 필요하다.

여기서 상기 스택을 구성하는 각 전지마다 음극 가스와 양극 가스가 서로 섞이지 않도록 주입하는 구조가 필요한데, 이를 위하여 전지와 전지 사이에 양극(兩極; bipolar) 분리판이 위치한다.

이 분리판은 도1과 도2에 도시된 바와 같이 연료 가스와 공기가 섞이지 않도록 박판이 놓여지고, 박판의 양쪽 면으로는 가스가 통과하는 매니폴드들(32, 34, 36, 38)이 마련되어 있으며, 이 가스 통로가 외부와 차단되도록 하는 기능을 갖도록 설계된 마스크 판(20,28)이 각각 위치한다.

상기 각각의 마스크 판(20,28)과 중간판(24)사이의 공간을 지지하고 전극으로부터의 전자 흐름을 원활히 하기 위해 집전판(22, 26)이 설치되는데, 집전판은 가스가 고르게 분배되도록 하는 역할도 수행한다.

여기서, 상기 각각의 집전판(22, 26)은 박판에 펀칭에 의한 사각형 슬롯들이 반복 형성되는 것이 적용된다.

한편, 용융탄산염 연료전지 작동에 주입되는 가스 유량은 음극과 양극에서 매우 차이가 난다.

일반적으로 음극가스 유량은 필요한 전기 에너지를 얻기 위한 전기 화학 반응 소모량의 약1.2배 내외(약 80％의 이용률)인 반면, 양극 가스는 3∼4배 정도(약 30％의 이용률)이다.

이것은 음극 가스는 연료 비용의 경제성을 우선하여 가스 이용률을 높게 정할 수 밖에 없으며, 양극 가스는 전지 반응에서 발생하는 열을 효과적으로 제거하기 위하여 과량으로 주입되기 때문이다.

예를 들어 100 ㎾급 MCFC 스택에서 전지 면적 ㎤당 150㎃의 전류를 얻을 때에 연료 가스 이용률을 80％로 정하면 필요한 음극 가스 유량은 약 2000~3000 SLPM(L/min, 0℃, 1기압)인 반면에, 양극 가스는 약 20%~30%의 이용률에서 약 15000~20000 SLPM의 유량이 주입되어야 한다.

즉, 양극에서 이와 같은 가스 유량이 주입되지 않으면 전지 반응에서 발생하는 열로 인해 스택 내부 온도가 국부적으로 700℃ 이상으로 상승하여 고온 부식이 가속화되고 전지 구성 요소의 열화가 진행되어 안정적 장기 운전이 어려운 것이다.

따라서, 양극 가스 유량은 음극 가스 유량의 약 5~10배가 되며, 이러한 양극과 음극의 유량 차이를 유지하게 되면, 많은 유량이 흐르는 양극의 입출구 압력강하가 음극에서보다 매우 커지게 되고, 이로 인하여 양극 가스와 음극 가스 사이의 압력차이가 발생한다.

이러한 압력차이는 전극 면적이 작은 경우에 가스 유동 길이가 짧아서 별다른 문제가 되지 않으나, 대면적이 될수록 혹은 전극 길이(L)가 길 수록 압력 강하가 차이가 나서 양극-음극간 차압이 커지게 된다.

그러나, 용융탄산염 연료전지의 취약점이 전해질이 액체인 용융염임을 감안할때, 전해질이 양극과 음극가스의 밀봉역할을 수행하여야하는 연료전지에서 양쪽 가스의 차압이 수백 ㎜Hg 이상으로 증가하면 가스 밀봉이 깨지면서 서로 섞이는 현상(gas crossover)이 발생한다는 문제점이 있다.

즉, 양극과 음극 가스가 직접 섞이게 되면 연소에 의해 매우 큰 반응열이 발생하고 국부적으로 온도가 매우 상승하여 연료전지는 더 이상 정상적으로 작동하기 어려운 것이다.

따라서, 양극과 음극의 가스 압력 차이가 가능한 한 작도록 유지하는 것이 안정적인 운전의 필수요소인 것이다.

한편, 분리판의 입구와 출구에는 매니폴드 구멍이 있어서 이를 통해 음극 및 양극 가스가 각각 공급되고 배출된다.

매니폴드 설계는 크게 외부 매니폴드와 내부 매니폴드로 나누어지는데, 제 1도에서 나타난 내부 매니폴드 형태가 스택 높이 변화에 영향을 받지 않고 병행류(co-flow) 가스 흐름에도 적용할 수 있어서 대면적 스택에 많이 사용된다.

스택에서 가스의 흐름은 입구 매니폴드 →집전판의 가스 통로 →출구 매니폴드 방향으로 진행된다 (도 2 참조).

가스 유동에 의한 압력 강하와 함께 스택에서 중요한 것은 매니폴드에서 각 전지로 가스가 고르게 분배되는 것인데, 이는 매니폴드 구멍에서의 압력강하와 집전판에서의 압력강하의 비율과 관계되며, 집전판에서의 압력 강하가 매니폴드에서의 압력 강하보다 클수록 고른 유량 분배가 이루어지는 것이다.

한편, 스택을 구성하는 전지 수가 증가할수록 매니폴드 압력 강하가 커지게 되므로 대용량 스택에서는 집전판에서의 압력 강하가 너무 작아도 유량 분배가 고르지 않은 문제가 있다.

결과적으로 용융탄산염 연료전지에서 양극과 음극에 각각 필요한 유량을 유지하면서 위와 같은 요구 조건을 만족시키기 위하여는, 집전판에서 양극 가스의 압력 강하는 가능한 한 줄이고 음극 가스의 압력 강하는 약간 증가시키는 것이 바람직한 것이다.

그러나, 종래의 분리판 구조에서는 양쪽의 집전판이 같은 형상이어서 양극과 음극의 유량을 변화시키는 것 이외는 압력 강하의 차이를 조절할 방법이 없다.

이 경우에 유량이 제한되며 이에 따라 얻을 수 있는 전기 에너지의 양도 제한될 수 밖에 없다.

또 다른 방법으로 충분한 유량을 유지하며 차압을 줄이기 위하여 가압 운전을 하는 것인데, 가압 하에서는 가스 체류시간이 증가하고 선속도가 감소하기 때문에 같은 유량에서도 낮은 압력 강하를 유지할 수 있다.

그러나, 가압 운전 장치는 가압 용기와 밀봉을 위한 부속 장치등 대기압 설비에 비해 많은 비용이 들고 운전이 어렵다.

또한, 가압 하에서도 양극과 음극 가스 사이의 차압은 집전판의 구조에 의해 크게 영향을 받는데, 이에 따라 대형 용융탄산염 연료전지 스택의 장기 운전안정성을 향상하기 위해서는 양극-음극 가스 차압을 줄일수록 유리하므로 양극-음극간의 가스 차압감소가 전제되어야 한다.

한편, 종래에도 용융탄산염 연료전지 스택에서 분리판에 대한 다양한 기술이 제안 되었다.

예를 들어 미국 특허 제 4,983,472호는 용융탄산염 연료전지 스택 제조에서 음극 가스 통로는 음극 재료(니켈합금)판 표면에 길고 좁은 흠을 형성하며 양극 가스 통로는 여러개의 아치(arch)를 형성한 금속 집전판을 편평한 양극 판에 밀착시켜 사용한 구조이나, 음극에는 집전판을 사용하지 않고 전극 재료에 직접 가스 통로가 형성되도록 가공 하였는데, 이와 같은 전극 재료의 가공은 작은 면적의 전지제작에는 가능하나 ㎡ 면적의 대형 전지 제작에서는 안정성이 떨어지고 제작 비용이 많이 들게 되는 단점이 있었다.

그리고, 대한민국 특허 제184,143호는 중앙 분리판 상하에 위치한 전극 집전판의 일부를 절취하여 고온에서 연료전지 운전시 열에 의한 응력으로 집전판이 늘어나서 인접한 판들과의 응력 차이로 판의 변형이 일어나는 것을 방지한 구조이나, 이 선행기술은 단지 집전판을 동일한 구조로 사용하고 있을 뿐이다.

또한, 대한미국 공개특허 제 2001-17416호는 동일한 집전판에서 전극 접촉 부분에는 저강성 슬롯을 형성하고 전극 외곽부에는 고강성 슬롯을 형성하여, 전극 재료의 크립 수축시에 일어나는 강성 변화를 보상하는 구조이나, 다른 구조의 슬롯을 동일한 집전판에 형성하여 동일평면내에서의 강성변화에 대비할 뿐 압력차이나 유량변화를 근본적으로 개선하고 있지 않는 기술임을 알 수 있다.

한편, 용융탄산염 연료전지에서는 일반적으로 음극 재료의 강도가 양극보다 큰 반면에 기공 크기가 양극보다 작으므로, 집전판-전극 접촉 면적을 줄이고 반응 가스 전달 면적을 향상시키는 것이 유리한데, 상술된 종래의 집전판에 적용된 단순 일자형 슬롯배열로는 이를 실현시킬 수 없었던 것이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 기술들의 문제점을 해결하기 위해 안출 된 것으로, 대면적 용융탄산염 연료전지 스택에 사용되는 분리판의 기본형태를 유지하면서 운전시 양극과 음극의 가스유량차이에 따른 유동압력차를 조절하여 대형 연료전지 스택의 장기운전 안정성을 향상시킨 용융탄산염 연료전지 분리판의 집전판을제공함에 그 목적이 있다.

더 나아가 본 발명은 양극과 음극의 재료 특성에 따른 반응 가스 전달면적의 조절을 가능케 하는 용융탄산염 연료전지 분리판의 집전판을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

도1은 종래 연료전지의 분리판 분리사시도,

도2는 도1의 조립된 평면도로서, 양극방향에서 본 평면도이다.

도3은 본 발명에 따른 연료전지의 분리판 분리 사시도,

도4는 양극집전판의 일자형 슬롯부분의 확대 평면도와 정면도,

도5는 음극집전판의 십자형 슬롯부분의 확대 평면도와 정면도

도6은 도4에서 일자형 슬롯구조의 정면에서 본 가스유동 유효 단면적 부분을 나타낸 도 4 의 Y부 부분확대도,

도7은 도5에서 십자형 슬롯구조의 정면에서 본 가스유동 유효 단면적 부분을 나타낸 도 5 의 Y'부 부분확대도,

도8은 본 발명에 따른 집전판에서 십자형/일자형의 가스유동 유효 단면적 비율의 계산도표,

도9는 본 발명에 따른 집전판에서 반응 가스 전달면적 비율의 계산도표이다.

- 도면중 주요부분에 대한 부호의 설명 -

20 - 음극 마스크판22,102 - 음극 집전판

24 - 중간판26 - 양극집전판

28 - 양극 마스크판32 - 양극입구 매니폴드

34 - 음극입구 매니폴드36 - 양극출구 매니폴드

38 - 음극출구 매니폴드100,100' - 슬롯

X - 일자형 슬롯 집전판의 평면 반복부

Y - 일자형 슬롯 집전판의 정면 반복부

X' - 십자형 슬롯 집전판의 평면 반복부

Y' - 십자형 슬롯 집전판의 정면 반복부

Ⅰ - 일자형 슬롯 집전판 평면에서 측면 방향으로 성형된 슬롯 배열 라인

Ⅱ - 입자형 슬롯 집전판 평면에서 슬롯 배열 라인 Ⅰ과 Ⅲ사이의 슬롯이 형성되어 있지 않은 부분

Ⅲ - 일자형 슬롯 집전판 평면에서 슬롯 배열 라인 Ⅰ다음에 위치하는 슬롯 배열 라인

Ⅳ - 십자형 슬롯 집전판 평면에서 정면 방향으로 성형된 슬롯들의 앞쪽 성형 부위를 포함하는 ("측면" 삭제함) 슬롯 배열 라인

Ⅴ - 십자형 슬롯 집전판 평면에서 라인 Ⅳ의 정면 방향 슬롯 중심과 동일한 선상에 놓인 측면 방향 성형 슬롯 배열 라인

Ⅵ - 십자형 슬롯 집전판 평면에서 라인 Ⅳ 다음 반복의 슬롯 배열 라인

Ⅶ - 십자형 슬롯 집전판 평면에서 라인 Ⅴ 다음 반복의 슬롯 배열 라인

Ⅰ' - 일자형 슬롯 집전판에서 슬롯 배열 라인 Ⅰ에 해당하는 정면에서의 슬롯 배열 라인

Ⅱ' - 일자형 슬롯 집전판에서 측면 방향 라인 Ⅱ에 해당하는 집전판 부분

Ⅲ' - 일자형 슬롯 집전판에서 슬롯 배열 라인 Ⅲ에 해당하는 정면에서의 슬롯 배열 라인

Ⅳ' - 십자형 슬롯 집전판에서 슬롯 배열 라인 Ⅳ에 해당하는 정면에서의 슬롯 배열 라인

Ⅴ' - 십자형 슬롯 집전판에서 슬롯 배열 라인 Ⅴ에 해당하는 정면에서의 슬롯 배열 라인

Ⅵ' - 십자형 슬롯 집전판에서 슬롯 배열 라인 Ⅵ에 해당하는 정면에서의 슬롯 배열 라인

Ⅶ' - 십자형 슬롯 집전판에서 슬롯 배열 라인 Ⅶ에 해당하는 정면에서의 슬롯 배열 라인

62 - 일자형 슬롯 집전판 구조에서 가스 유동 유효 단면적 영역

64 - 십자형 슬롯 집전판 구조에서 가스 유동 유효 단면적 영역

L - 분리판 길이W - 분리판 폭

S - 슬롯 폭A - 슬롯 형상비(=슬롯 길이/ 슬롯폭)

B - 슬롯 간격비(=슬롯간격/슬롯 폭)h - 집전판 높이로서 두께 t의 판에 슬롯을 성형하였을 경우의 높이

t - 집전판에 사용하는 가공판 두께Z- 슬롯의 성형각도

AS - 슬롯의 길이BS - 슬롯사이의 간격

이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.

참고로 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.

예시도면 도 3 은 본 발명에 따른 집전판이 설치된 용융탄산염 연료전지 스택의 분리사시도이고, 예시도면 도 4 내지 도 7 은 본 발명에 따른 집전판을 설명하기 위한 설명도로서, 본 발명은 양극가스와 음극가스가 흐르는 동일한 형상의 동일규칙배열로 슬롯(100)이 형성된 양극 집전판(26)과 음극 집전판(22)을 갖는 용융탄산염 연료전지 분리판의 집전판에 있어서, 음극 집전판에서 음극가스의 흐름이슬롯(100,100')의 배열에 의해 제어되게 슬롯(100) 사이에 슬롯(100')이 엇갈리게 배열되어 십자형 슬롯배열을 갖는 음극 집전판(102)이 마련된 용융탄산염 연료전지 분리판의 집전판이다.

여기서, 음극 집전판(102)에 배열된 십자형 슬롯(100')은 일자형 슬롯 배열을 갖는 양극 집전판(26)과 대비될때 동일한 슬롯형상에서 십자형 슬롯배열과 일자형 슬롯배열의 가스 유동 유효단면적비가[A:슬롯형상비(슬롯길이/슬롯폭), B:슬롯간격비(슬롯간격/슬롯폭)] 이 되어짐에 따라 음극 집전판(102)의 압력을 강하시켜 양극 집전판(26)과 음극 집전판(102)의 압력차이를 감소시키는 집전판의 압력차 감소수단이 되어짐을 특징으로 한다.

또한, 음극집전판(102)에 십자형으로 배열된 슬롯(100')은 슬롯(100,100')의 길이와 폭의 변경에서 십자형 슬롯배열과 일자형 슬롯배열의 반응가스 전달면적비가[A:슬롯형상비(슬롯길이/슬롯폭), B:슬롯간격비(슬롯간격/슬롯폭)] 이 되어짐에 따라 양극집전판(26)의 일자형으로 배열된 슬롯(100)과 연계되어 반응가스의 전달면적 조정이 가능한 반응가스 전달면적 조절수단이 되어짐을 특징으로 한다.

이를 좀 더 상세히 설명하면, 발명의 제1 실시예에서 도4 내지 도7에 도시된 바와 같이 일반적으로 슬롯을 펀칭하여 성형하는 집전판의 설계에 필요한 변수는 슬롯의 폭(S), 길이(AS), 높이(h), 슬롯 사이의 간격(BS), 가공판의 두께(t),슬롯 성형 각도(Z)이다 (도 4 및 도 5).

즉, 편평한 박판에 슬롯 형상을 펀칭하면 성형된 부분의 판 두께는 초기 가공판의 두께보다 줄어들고 길이는 늘어나게 되어, 성형된 부분의 단면적은 늘어난 부분의 초기 가공판 두께가 가지는 단면적과 같다.

이를 고려하면 슬롯의 형성과 배치에 따른 가스 유동 유효 단면적을 파악할 수 있다.

여기서, 가스 유동의 유효 단면적은 집전판 형성에 필요한 최소 펀칭 라인(일자형의 경우는 부호 Ⅰ, 십자형인 경우는 Ⅳ와 Ⅴ참조)을 기준으로 가스 흐름 방향에서 볼 때에 측면으로 배열된 슬롯 라인에서 열린 부분만의 단면적을 의미한다.

이는 도 4 및 도 5 에 표시된 집전판 설치 정면의 반복부(부호 Y, Y'참조)에서 일자형 슬롯 두께가 차지하는 단면적(부호Ⅰ' 및 Ⅴ' 참조)과 십자형 슬롯의 막힌 부분을 제외한 면적에 분리판 폭(W)에 대한 슬롯 개수를 곱하여 얻는다.

즉, 각 펀칭라인에서 슬롯개수는

식[1]

위에서 설명한 바에 따라 일자형 슬롯 배열 집전판의 정면 반복부에서 임의의 슬롯배열라인에 대한 가스 유동의 유효 단면적은 가공된 슬롯 두께가 차지하는 면적만 고려하면 된다. (도 4 및 도 6 )

따라서, 일자형 집전판에서 슬롯 정면 반복부의 면적은

식[2]이 되고,

일자형 집전판에서 슬롯 반복부 당 가스 유동 유효단면적은

식[3]이 된다.

식[1]에 식[2]를 대입하고 이를 식[3]에 곱하면 일자형 슬롯 집전판에서 가스 유동 유효 단면적이 얻어진다.

즉, 일자형 집전판에서 가스 유동 유효단면적은

이다.

한편, 십자형 슬롯 배열 집전판에서는 슬롯의 배치가 열린 부분(부호 Ⅴ과 Ⅶ 참조)과 막힌 부분(부호 Ⅳ와 Ⅵ 참조)의 연속으로 되어 있어서 막힌 부분에 의한 가스 유동 단면적 감소가 추가로 고려된다 (부호 Ⅳ' 및 Ⅵ' 참조).

일자형과 같은 크기의 전극 폭(W)에 대해 십자형 슬롯 구조 집전판에서 가스 유동 유효 단면적을 나타내면 다음과 같이 된다.

즉, 십자형 집전판에서 슬롯 정면 반복부 면적은

이고,

십자형 집전판에서 슬롯 반복부 당 가스 유동 유효단면적은

가 된다.

이로 부터 상기 일자형에서와 같은 방법에 의해 십자형 슬롯 집전판에서 가스 유동 유효 단면적이 얻어진다.

따라서, 십자형 집전판에서 가스 유동 유효단면적은

가 된다.

이러한 제 1 실시예에서는 집전판 형상 차이에 의해 가스 유동 압력 차이를 조절하는 것이므로, 따라서 같은 크기의 분리판에 대해 일자형에 대한 십자형 슬롯 구조의 가스 유동 유효 단면적 비율을 슬롯 형상비(A) 및 슬롯 간격비(B)의 함수로 나타내면 다음과 같다.

따라서, 어떤 경우에도 십자형에서는 일자형에서보다 가스 유동의 유효 단면적이 줄어들게 된다.

더 나아가 가스 유동 저항은 유효 단면적 이외에도 슬롯 표면에서의 마찰에도 영향을 받는데, 이는 가스 흐름 방향으로 슬롯의 닫힌 부분이 존재하는 십자형 구조에서 더욱 커진다.

이로 인해 일자형을 사용할 경우보다 십자형을 사용할 경우에 유동에 의한 저항이 증가하고 압력 강하가 커지게 되며, 압력 강하가 커지는 정도는 슬롯 형상비(A) 및 간격비(B)에 따라 달라진다 (도 8 ).

다시 말하면 십자형 배열 구조를 음극에 적용하고 일자형 배열 구조를 양극에 적용하면서 슬롯 형상의 설계 변수를 조절하여 유동 단면적 차이를 변화시킬 수 있고 이로 인한 양극과 음극 가스 압력 차이를 조절할 수 있다.

다음은 본 발명에 따른 십자형 슬롯에 의한 제 2 의 실시예를 설명한다.

슬롯 설계 변수 중에서 슬롯의 길이(AS), 높이(h), 간격(BS)은 가스 유동 단면적에 직접 영향을 주며, 가공판 두께(t), 상기 슬롯의 높이(h), 그리고 성형 각도(z)는 집전판의 구조 강성에 영향을 준다.

한편, 슬롯 형상 비율(A)과 간격 비율(B)에 따라 집전판과 전극과의 밀착 면적이 변화되며, 집전판과 전극의 접촉 면적이 증가하면 전자의 흐름과 구조적 안정성에 도움을 줌이 일반적이다.

반면에, 집전판-전극 접촉 면적이 증가하면 그 만큼 반응 가스가 전극 표면에 직접 전달되는 면적은 줄어든다.

집전판-전극 접촉 면적을 증가하여 구조적인 안정성을 향상하는 것이나 접촉 면적을 감소하여 반응 가스 전달 면적을 증가하는 것은 양극과 음극 재료의 특성과 기공 크기에 따라 결정하여야 한다.

그 결과로써, 용융탄산염 연료전지에서는 일반적으로 음극 재료의 강도가 양극보다 큰 반면에 기공 크기가 양극보다 작으므로, 집전판-전극 접촉 면적을 줄이고 반응 가스 전달 면적을 향상시키는 것이 유리하다.

본 발명의 제 2 실시예에서 제시하는 것은 음극에 십자형 슬롯 집전판을 사용하고 양극에 종래의 일자형 슬롯 집전판을 사용함과 더불어, 슬롯 형상 및 간격을 변화하면 양극 및 음극의 특성에 따라 집전판 - 전극 접촉 면적 혹은 반응 가스 전달 면적의 조절이 가능하다는 것이다.

즉, 일자형 및 십자형 슬롯 배치의 평면 반복부(기호 X, X'참조)로부터 각각의 반응 가스 전달 면적을 비교하면 다음과 같다.

일자형 슬롯배열을 갖는 집전판의 분리판에서 반응가스 전달면적은

이고,

십자형 슬롯배열을 갖는 집전판의 분리판에서 반응가스 전달면적은

이다.

따라서, 가스 유동 유효 단면적에서와 마찬가지로 일자형에 대한 십자형 슬롯 집전판의반응 가스 전달 면적 비율을 계산하면,

가 되는 것이다.

실제 설계에서 허용할 수 있는 슬롯 설계 변수의 범위는 슬롯길이/폭 비율인 슬롯형상비(A)가 1~5 사이, 슬롯간격/폭비율인 슬롯간격비(B)가 0.5 ~ 2 정도이며, 반응 가스 전달 면적의 변화는 슬롯간격비(B) 보다 슬롯형상비(A)에 큰 영향을 받는다 (도 9).

이러한 본 발명의 제 2 실시예에 의해, 슬롯 길이를 폭보다 매우 길게 하여 십자형의 음극 반응 가스 전달 면적이 일자형의 양극 반응 가스 전달 면적보다 크도록 할 수 있고 (도 9 에서 등고선 값이 1 보다 큰 경우), 슬롯 길이를 상대적으로 작게 하여 일자형의 양극 반응 가스 전달 면적이 더 크게 할 수도 있는 것이다(도 9 에서 등고선 값이 1보다 작은경우).

본 발명에 따른 집전판의 구조 변경으로 양극 가스와 음극 가스의 집전판에서 유동에 필요한 유효 단면적을 달리하여 가스 사이의 차압을 줄일 수 있는바, 즉 양극과 음극에 심한 유량 차이가 있을 경우에 양극의 집전판에서 가스 유동 저항은 최소로 줄이고 음극 집전판에서의 유동 저항은 어느 정도 증가시켜 양 쪽의 압력차를 적정한 수준 이내로 유지한다.

따라서, 액체 전해질을 사이에 두고 양극과 음극 가스의 밀봉이 안정적으로 유지되며 충분한 유량을 주입할 수 있어서 장기 운전 성능의 향상이 가능하다.

더 나아가 슬롯 설계 변수를 조절하면 가스 차압 조절 효과 뿐 아니라 양극과 음극 재료 특성에 따른 반응 가스 전달 면적의 조절이 가능하다는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 양극가스와 음극가스가 흐르는 동일한 형상의 동일규칙배열로 슬롯(100)이 형성된 양극 집전판(26)과 음극 집전판(22)을 갖는 용융탄산염 연료전지 분리판의 집전판에 있어서, 음극 집전판에서 음극가스의 흐름이 슬롯(100,100')의 배열에 의해 제어되게 슬롯(100) 사이에 슬롯(100')이 엇갈리게 배열되어 십자형 슬롯배열을 갖는 음극 집전판(102)이 마련된 용융탄산염 연료전지 분리판의 집전판.
2. 제 1 항에 있어서, 음극 집전판(102)에 배열된 십자형 슬롯(100')은 일자형 슬롯 배열을 갖는 양극 집전판(26)과 대비될때 동일한 슬롯형상에서 십자형 슬롯배열과 일자형 슬롯배열의 가스 유동 유효단면적비가[A:슬롯형상비(슬롯길이/슬롯폭), B:슬롯간격비(슬롯간격/슬롯폭)] 이 되어짐에 따라 음극 집전판(102)의 압력을 강하시켜 양극 집전판(26)과 음극 집전판(102)의 압력차이를 감소시키는 집전판의 압력차 감소수단이 되어짐을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지 분리판의 집전판.
3. 제 1 항에 있어서, 음극집전판(102)에 십자형으로 배열된 슬롯(100')은 슬롯(100,100')의 길이와 폭의 변경에서 십자형 슬롯배열과 일자형 슬롯배열의 반응가스 전달면적비가[A:슬롯형상비(슬롯길이/슬롯폭), B:슬롯간격비(슬롯간격/슬롯폭)] 이 되어짐에 따라 양극집전판(26)의 일자형으로 배열된 슬롯(100)과 연계되어 반응가스의 전달면적 조정이 가능한 반응가스 전달면적 조절수단이 되어짐을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지 분리판의 집전판.