KR20120075241A - 평판형 고체산화물 연료전지용 밀봉재와 이를 이용한 밀봉방법 - Google Patents

평판형 고체산화물 연료전지용 밀봉재와 이를 이용한 밀봉방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 평판형 고체산화물 연료전지용 밀봉재와 이를 이용한 밀봉방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 조립이 가능한 블록 형태의 밀봉부를 이용함으로써 유실되는 재료를 저감시킬 수 있는 평판형 고체산화물 연료전지용 밀봉재와 이를 이용한 밀봉방법에 관한 것이다.
본 발명은 폐루프를 형성하는 적어도 하나 이상의 블록유닛이 조립되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 평판형 고체산화물 연료전지용 밀봉재와 이를 이용한 밀봉방법를 제공한다.
본 발명에 따르면 조립이 가능한 블록 형태의 밀봉부를 이용함으로써 가스의 실링성을 확보하면서 동시에 유실되는 재료를 저감시킬 수 있어 원가절감에 효과적이며, 대형 사이즈의 밀봉구조에 용이하게 적용될 수 있고, 스택 안정성에도 기여할 수 있다.

Description

평판형 고체산화물 연료전지용 밀봉재와 이를 이용한 밀봉방법{SEALANT FOR PLANAR SOLID OXIDE FUEL CELL AND SEALING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 평판형 고체산화물 연료전지용 밀봉재와 이를 이용한 밀봉방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 조립이 가능한 블록 형태의 밀봉부를 이용함으로써 유실되는 재료를 저감시킬 수 있는 평판형 고체산화물 연료전지용 밀봉재와 이를 이용한 밀봉방법에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지는 일반적으로 연료전지 중 가장 높은 온도(700 ~ 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. 또한, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점 때문에 고체산화물 연료전지에 관한 연구는 현재 활발히 이루어지고 있다.
고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)는 전기화학적 에너지 변환장치로서, 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극) 및 연료극(음극)으로 이루어진다. 공기극에서는 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되고, 이때, 연료극에서는 전자가 생성되고 공기극에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 되는 것이다.
그러나, 상기 공기극, 전해질 및 연료극을 기본으로 하는 단위전지 하나에서 발생하는 전력은 상당히 작기 때문에, 여러 개의 단위 전지를 적층(스택)하여 연료 전지를 구성함으로써 상당량의 전력을 출력시킬 수 있게 되고, 나아가 다양한 발전 시스템 분야에 적용할 수 있게 된다. 상기 적층을 위해서, 한 단위전지의 공기극과 다른 단위전지의 연료극은 전기적으로 연결되어야 할 필요가 있으며, 이를 위해 분리판(seperator)이 사용된다. 또한, 상기 공기극 또는 연료극과 분리판 사이에는 집전체(current collector)가 구비되어 공기극 또는 연료극이 분리판과 전기적으로 균일하게 접촉할 수 있게 한다. 이러한 집전체로는 세라믹 재질의 재료나 은 또는 백금이 사용될 수 있다.
또한, 연료극에 공급되는 연료 기체와 공기극에 공급되는 공기가 서로 혼합되지 않도록 밀봉재를 사용하는데, 평판형 연료 전지의 밀봉을 위해서는, 밀봉재 시트(sheet)를 제작하여 적층한 후, 일체화된 적층체로부터 밀봉부의 구조를 절취하여 사용하는 방법이 있다. 이러한 방법은 균일한 두께를 확보할 수 있으며, 절취된 밀봉의 구조가 매우 균일한 장점이 있다. 그러나, 밀봉부 이외의 부분은 펀칭되어 모두 버려지게 되므로, 재료비가 매우 증가한다. 특히, 밀봉재가 사용되는 영역은 극히 일부분이므로, 연료전지의 단면이 대면적으로 갈수록 유실 재료비는 더욱 증가하며, 밀봉재 시트도 대면적으로 제작해야 하므로 시트 내의 두께 균일성을 확보하기 어렵다.
밀봉을 위한 다른 방법으로는 밀봉재 페이스트(paste)를 제작하여 밀봉이 되어야 할 부분에만 디스펜싱(dispensing)하는 방법이 있다. 상기 방법은 밀봉이 필요한 부분에만 재료를 사용하므로, 재료비의 이점이 있으나, 디스펜싱 후, 두께가 균일하지 못하고, 단면 형상도 직각형태를 이루지 못해, 스택 장착시 불균일성을 초래한다.
본 발명은 조립이 가능한 블록 형태의 밀봉부를 이용함으로써 가스의 실링성을 확보하면서 동시에 유실되는 재료를 저감시킬 수 있는 평판형 고체산화물 연료전지용 밀봉재와 이를 이용한 밀봉방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 폐루프를 형성하는 적어도 하나 이상의 블록유닛이 조립되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 평판형 고체산화물 연료전지용 밀봉재를 제공한다.
상기 블록유닛은 각각 1개의 내부부재와 2개의 외부부재를 포함하며, 상기 2개의 외부부재의 각각의 한 쪽 단부가 서로 연결되고, 상기 내부부재는 상기 두 외부부재와 함께 가스 유로를 형성하도록 상기 두 외부부재와 연결되며, 상기 두 외부부재의 다른 쪽 단부는 내부부재와 연결되는 부분보다 확장되어 있고, 상기 확장된 하나의 외부부재의 다른 쪽 단부는 체결돌기부를 가지며, 다른 하나의 외부부재의 다른 쪽 단부는 체결홈을 갖는 것이 바람직하다.
상기 블록유닛의 체결홈이 다른 블록유닛의 체결돌기부와 결합되어 조립되는 것이 바람직하다.
상기 밀봉재는 4개의 블록유닛으로 이루어지며, 사각형의 형태를 갖는 것이 바람직하다.
상기 밀봉재는 상기 블록유닛을 연결시키기 위한 연결 유닛을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 연결 유닛의 일측에는 체결돌기부가 형성되고, 반대 측에는 체결홈이 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 밀봉재용 시트를 준비하는 단계; 상기 밀봉재용 시트를 펀칭하여 블록유닛을 제조하는 단계; 상기 제조된 블록유닛을 조립하여 밀봉재를 제조하는 단계; 상기 제조된 밀봉재를 연료 전지에 장착시키는 단계; 및 상기 밀봉재가 장착된 연료 전지를 용융 압착시키는 단계를 포함하는 평판형 고체산화물 연료전지의 밀봉 방법을 제공한다.
상기 펀칭시에는 상기 블록유닛이 각각 1개의 내부부재와 2개의 외부부재를 포함하며, 상기 2개의 외부부재의 각각의 한 쪽 단부가 서로 연결되고, 상기 내부부재는 상기 두 외부부재와 함께 폐루프를 형성하도록 상기 두 외부부재와 연결되며, 상기 두 외부부재의 다른 쪽 단부는 내부부재와 연결되는 부분보다 확장되어 있고, 상기 확장된 하나의 외부부재의 다른 쪽 단부는 체결돌기부를 가지며, 다른 하나의 외부부재의 다른 쪽 단부는 체결홈을 갖도록 행하는 것이 바람직하다.
상기 조립 단계는 상기 블록유닛의 체결홈이 다른 블록유닛의 체결돌기부와 결합되도록 행하는 것이 바람직하다.
상기 밀봉 방법은 밀봉재용 시트를 펀칭하여 연결 유닛을 제조하는 단계를 추가로 포함하여, 밀봉재 제조단계에서 블록유닛 사이를 연결 유닛을 통해 조립하여 밀봉재로 제조하는 것이 바람직하다.
상기 연결 유닛 제조단계는 상기 연결 유닛의 일측에는 체결돌기부가 형성되고, 반대 측에는 체결홈이 형성되도록 행하는 것이 바람직하다.
상기 용융 온도는 800~850℃인 것이 바람직하며, 상기 압착은 유압 또는 실린더를 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 조립이 가능한 블록 형태의 밀봉부를 이용함으로써 가스의 실링성을 확보하면서 동시에 유실되는 재료를 저감시킬 수 있어 원가절감에 효과적이며, 대형 사이즈의 밀봉구조에 용이하게 적용될 수 있고, 스택 안정성에도 기여할 수 있다.
도 1은 밀봉재 형태의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 부합하는 밀봉재의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 3은 블록유닛과 연결 유닛을 포함하는 밀봉재의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 4는 블록유닛과 연결 유닛의 다양한 형태를 나타낸 단면도이다.
기존에는 평판형 연료 전지의 밀봉재 제조를 위해서, 밀봉재 시트(sheet)를 제작한 후, 요구되는 밀봉부의 구조를 절취하여 사용하는 방법을 이용하였다. 도 1은 밀봉재 형태의 일례를 나타낸 단면도인데, 도 1의 형태를 갖는 밀봉재(1)를 제조하기 위해서는 펀칭을 이용하게 되고, 상기 밀봉재의 형태를 제외한 나머지 밀봉재는 버려지게 되는 단점이 있었다.
본 발명은 이를 해결하기 위하여, 상기 밀봉재의 구성요소를 단위 블록의 형태로 제조하여 유실되는 재료를 저감시키고, 상기 단위 블록 형태의 밀봉부를 조립하여 밀봉재를 제조함으로써, 가스 실링성 또한 확보할 수 있는 평판형 고체산화물 연료전지용 밀봉재를 제공하고자 한다.
도 2는 본 발명에 부합하는 밀봉재의 일례를 나타내는 단면도이다. 도 2와 같이, 밀봉부인 블록유닛(10)은 폐루프를 갖는 단위 블록의 형태를 가지며, 적어도 하나 이상이 조립되어 고체산화물 연료전지용 밀봉재로 형성될 수 있다. 이를 통해, 불필요하게 버려지는 재료의 손실을 저감시킬 수 있기 때문에, 제조 비용의 절감 효과를 거둘 수 있다.
이때, 상기 블록유닛(10)은 각각 1개의 내부부재(11)와 2개의 외부부재(12a, 12b)를 포함하며, 상기 2개의 외부부재(12a, 12b)의 각각의 한 쪽 단부가 서로 연결되고, 상기 내부부재(11)는 상기 두 외부부재와 함께 가스 유로를 형성하도록 상기 두 외부부재(12a, 12b)와 연결되며, 상기 두 외부부재(12a, 12b)의 다른 쪽 단부는 내부부재(11)와 연결되는 부분보다 확장되어 있고, 상기 확장된 하나의 외부부재(12a)의 다른 쪽 단부(13a)는 체결돌기부(14)를 가지며, 다른 하나의 외부부재(12b)의 다른 쪽 단부(13b)는 체결홈(15)을 갖는 것이 바람직하다.
상기 블록유닛(10)의 체결홈(15)은 다른 블록유닛(20)의 체결돌기부(24)와 결합되어 조립되는 것이 바람직하다. 이 경우, 돌기부와 체결홈없이 조립되는 경우보다 블록유닛의 결합력이 강해지며, 이를 통해 가스 실링성을 향상시킬 수 있다.
상기 밀봉재는 4개의 블록유닛(10)으로 이루어지며, 사각형의 형태를 갖는 것이 바람직한데, 이를 통해, 단면이 사각형인 연료 전지의 각각의 모서리부에 적용됨으로써 밀봉의 효과를 높일 수 있다.
도 3은 블록유닛(10)과 연결 유닛(100)을 포함하는 밀봉재의 일례를 나타낸 단면도이다. 도 3과 같이, 본 발명의 밀봉재는 상기 블록유닛(10, 20)을 연결시키기 위한 연결 유닛(100)을 추가로 포함할 수 있다. 상기 연결 유닛(100)의 크기나 형태, 그 수는 연료 전지의 형태에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
다만, 도 3과 같이, 블록유닛(10)이 체결돌기부(14)와 체결홈(15)을 가질 경우에는 용이한 조립을 위하여, 상기 연결 유닛(100)의 일측에는 체결돌기부(114)가 형성되고, 상기 일측의 반대 측에는 체결홈(115)이 형성되는 것이 바람직하다.
도 4는 블록유닛과 연결 유닛의 다양한 형태를 나타낸 단면도이다. (a)에 나타난 형태는 앞서 언급한 바와 같이, 블록유닛(30)과 연결 유닛(130)이 체결돌기부(34, 134)와 체결홈(35, 150)을 각각 갖는 형태이다. (b)는 블록유닛(40)은 체결돌기부(44)만 가지고, 연결 유닛(140)은 체결홈(145)만 갖는 형태이다. (c)는 블록유닛(50)은 체결홈(55)만 가지고, 연결 유닛(150)은 체결돌기부(154)만 갖는 형태이다. 이와 같이, 블록유닛과 연결 유닛은 다양한 형태를 가질 수 있다. 또한, 체결돌기부와 체결홈 또한 여러 형태로 용이하게 변경될 수 있다. 다만, 유실되는 재료를 보다 억제하기 위해서는 (a)형태의 블록유닛과 연결 유닛을 채택하는 것이 바람직하다.
전술한 밀봉재의 성분으로는 유리 재질 또는 상기 유리 재질에 세라믹이 일부 함유되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 제조방법을 설명한다.
우선, 밀봉재용 시트를 준비한 후, 상기 밀봉재용 시트를 펀칭하여 블록유닛을 제조한다.
상기 펀칭시 상기 블록유닛이 각각 1개의 내부부재와 2개의 외부부재를 포함하며, 상기 2개의 외부부재의 각각의 한 쪽 단부가 서로 연결되고, 상기 내부부재는 상기 두 외부부재와 함께 폐루프를 형성하도록 상기 두 외부부재의 각각 다른 쪽 단부와 연결되며, 상기 두 외부부재의 다른 쪽 단부는 내부부재와 연결되는 부분보다 확장되어 있고, 상기 확장된 하나의 외부부재의 다른 쪽 단부는 체결돌기부를 가지며, 다른 하나의 외부부재의 다른 쪽 단부는 체결홈을 갖도록 행하는 것이 바람직하다.
이 때, 밀봉재용 시트를 펀칭하여 연결 유닛을 제조하는 단계를 추가로 포함할 수 있는데, 상기 연결 유닛의 일측에는 체결돌기부가 형성되고, 상기 일측의 반대 측에는 체결홈이 형성되도록 펀칭하는 것이 바람직하다.
이후, 상기 제조된 블록유닛을 조립하여 밀봉재를 제조하게 되며, 이 때, 블록유닛의 체결홈이 다른 블록유닛의 체결돌기부와 결합되도록 행하는 것이 바람직하다. 물론, 상기와 같이 제조된 연결 유닛을 추가로 포함시켜 밀봉재를 제조할 수 있다.
이후, 상기 제조된 밀봉재를 연료 전지에 장착시키거나, 상기 밀봉재가 장착된 연료 전지를 용융 압착시킨다. 상기 용융 온도는 800~850℃인 것이 바람직한데, 상기 범위의 온도로 용융 압착 처리를 할 경우, 용융 압착이 효과적이며, 밀봉재의 형상, 나아가 연료 전지의 형상을 유지하기에 용이하다. 상기 압착은 유압 또는 실린더를 이용할 수 있다.
1: 밀봉재 10: 블록유닛
11: 내부부재 12: 외부부재
13: 외부부재 단부 14: 체결돌기부
15: 체결홈 20: 블록유닛
24: 체결돌기부

Claims (13)

  1. 폐루프를 형성하는 적어도 하나 이상의 블록유닛이 조립되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 평판형 고체산화물 연료전지용 밀봉재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 블록유닛은 각각 1개의 내부부재와 2개의 외부부재를 포함하며, 상기 2개의 외부부재의 각각의 한 쪽 단부가 서로 연결되고, 상기 내부부재는 상기 두 외부부재와 함께 가스 유로를 형성하도록 상기 두 외부부재와 연결되며, 상기 두 외부부재의 다른 쪽 단부는 내부부재와 연결되는 부분보다 확장되어 있고, 상기 확장된 하나의 외부부재의 다른 쪽 단부는 체결돌기부를 가지며, 다른 하나의 외부부재의 다른 쪽 단부는 체결홈을 갖는 것을 특징으로 하는 평판형 고체산화물 연료전지용 밀봉재.
  3. 제2항에 있어서, 상기 블록유닛의 체결홈은 다른 블록유닛의 체결돌기부와 결합되어 조립되는 것을 특징으로 하는 평판형 고체산화물 연료전지용 밀봉재.
  4. 제3항에 있어서, 상기 밀봉재는 4개의 블록유닛으로 이루어지며, 사각형의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 밀봉재.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밀봉재는 상기 블록유닛을 연결시키기 위한 연결 유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 밀봉재.
  6. 제5항에 있어서, 상기 연결 유닛의 일측에는 체결돌기부가 형성되고, 반대 측에는 체결홈이 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 밀봉재.
  7. 밀봉재용 시트를 준비하는 단계;
    상기 밀봉재용 시트를 펀칭하여 블록유닛을 제조하는 단계;
    상기 제조된 블록유닛을 조립하여 밀봉재를 제조하는 단계;
    상기 제조된 밀봉재를 연료 전지에 장착시키는 단계; 및
    상기 밀봉재가 장착된 연료 전지를 용융 압착시키는 단계를 포함하는 평판형 고체산화물 연료전지의 밀봉 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 펀칭시 상기 블록유닛이 각각 1개의 내부부재와 2개의 외부부재를 포함하며, 상기 2개의 외부부재의 각각의 한 쪽 단부가 서로 연결되고, 상기 내부부재는 상기 두 외부부재와 함께 폐루프를 형성하도록 상기 두 외부부재와 연결되며, 상기 두 외부부재의 다른 쪽 단부는 내부부재와 연결되는 부분보다 확장되어 있고, 상기 확장된 하나의 외부부재의 다른 쪽 단부는 체결돌기부를 가지며, 다른 하나의 외부부재의 다른 쪽 단부는 체결홈을 갖도록 행하는 것을 특징으로 하는 평판형 고체산화물 연료전지의 밀봉 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 조립 단계는 상기 블록유닛의 체결홈이 다른 블록유닛의 체결돌기부와 결합되도록 행하는 것을 특징으로 하는 평판형 고체산화물 연료전지의 밀봉 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 밀봉 방법은 밀봉재용 시트를 펀칭하여 연결 유닛을 제조하는 단계를 추가로 포함하여, 밀봉재 제조단계에서 블록유닛 사이를 연결 유닛을 통해 조립하여 밀봉재로 제조하는 평판형 고체산화물 연료전지의 밀봉 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 연결 유닛 제조단계는 상기 연결 유닛의 일측에는 체결돌기부가 형성되고, 반대 측에는 체결홈이 형성되도록 행하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 밀봉 방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 용융 온도는 800~850℃인 것을 특징으로 하는 평판형 고체산화물 연료전지의 밀봉 방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 압착은 유압 또는 실린더를 이용하는 것을 특징으로 하는 평판형 고체산화물 연료전지의 밀봉 방법.
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