KR20120082326A - 분리판 및 이를 구비한 고체산화물 연료전지 - Google Patents

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KR20120082326A
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Abstract

본 발명은 연료챔버 밀봉을 위한 분리판 및 고체산화물 연료전지에 대한 것으로서, 구체적으로 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 분리판은 단위 셀을 수용하기 위한 관통구와, 관통구 내주면에 형성된 그루브를 구비한다.
본 발명에 따르면 용접 부위에 밀봉재가 위치할 수 있는 홈을 구비함으로써 용착부가 안정적으로 형성될 수 있도록 한다. 또한 이러한 홈에 형성된 경사부는 밀봉재를 단위 셀 방향으로 힘을 가하게 됨으로써 밀봉 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

분리판 및 이를 구비한 고체산화물 연료전지{Separator and SOFC having the same}
본 발명은 분리판 및 이를 구비한 고체산화물 연료전지에 대한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응을 통해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 일종의 발전장치이다. 즉, 단위 셀의 캐소드(cathode)에 산소를 포함한 공기가, 애노드(anode)에 연료가 각각 공급되면, 그 사이의 전해질막을 통해 물 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 생성된다.
그러나 이러한 단위 셀 하나에서 발생되는 전기는 유용하게 사용될 만큼 그 전압이 높지 않기 때문에, 여러 개의 단위 셀을 적층 또는 집적하는 등 스택(stack)의 형태로 사용하는 것이 일반적이다.
한편, 고체산화물연료전지 중 다수의 튜블라형 단위 셀로 스택을 형성하는 경우 각 단위 셀에 공급되는 가스의 챔버 간을 구분하기 위하여 분리판이 사용될 수 있다.
본 발명의 과제는 튜블라형 단위 셀을 이용하여 스택을 제작하는 경우 각 가스의 챔버를 분리하기 위한 분리판과 튜블라형 셀 간의 건전한 밀봉구조를 제공하여 밀봉 효율을 높이는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지는 단위 셀; 상기 단위 셀이 수용되어 연장되는 관통구를 구비하고 상기 관통구에 인접한 측벽상에 그루브를 구비하는 분리판; 및 상기 분리판의 그루브내에 형성되고 단위 셀과 접촉되는 용착부를 포함한다.
본 발명에서 상기 그루브는 용착부와 접촉되는 지지면(supporting surface)과 용착부와 접촉되는 지지면으로부터 연장되는 압박면(pressing surface)을 포함한다.
또한, 본 발명에서 상기 압박면과 상기 압박면에 인접한 분리판은 30도 내지 60도의 각도를 형성한다.
또한, 본 발명에서 상기 지지면과 상기 분리판은 0도 내지 50도의 각도를 이루도록 형성된다.
또한, 본 발명에서 상기 지지면과 압박면은 V 자 형상으로 이루어진다.
또한, 본 발명에서 상기 그루브의 횡단면은 원호 형상, 실질적으로 U 자 형상 또는 L 자 형상의 어느 하나이다.
또한, 본 발명에서 상기 분리판의 관통구에 인접한 측벽과 대향하는 측벽은 서로 평행하지 않도록 형성된다.
또한, 본 발명에서 상기 그루브는 경사진 측벽으로 형성된다.
또한, 본 발명에서 상기 분리판과 용착부는 서로 5% 이내의 차이를 갖는 열팽창 계수를 갖는 물질을 포함한다.
또한, 본 발명에서 적어도 하나의 추가 분리판을 더 포함하고 상기 추가 분리판은 용착부와 접촉하는 그루브를 포함한다.
또한, 본 발명에서 상기 용착부는 상기 분리판과 상기 적어도 하나의 추가 분리판 사이에 위치한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 단위 셀에 연료를 공급하는 제1 연료챔버; 상기 단위 셀에서 배출되는 가스를 수집하는 제2 연료챔버; 산화제가 유입되는 제1 산화제챔버; 및 상기 제1 산화제챔버를 통하여 산화제를 공급받기 위하여 상기 단위 셀과 접촉되는 제2 산화제챔버를 포함하되, 상기 분리판은 상기 제2 연료챔버와 제2 산화제챔버 사이에 배치되는 연료전지를 제공한다.
본 발명에서 상기 연료전지는 고체산화물 연료전지를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 단위 셀을 포함하는 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 분리판은 단위 셀을 지지하기 위한 몸체부상에 상기 단위 셀이 수용되어 연장되기 위한 관통구를 구비하고 상기 관통부에 인접한 측벽상에 그루브가 형성된 연료전지용 분리판을 제공한다.
또한, 본 발명에서 고체산화물 연료전지용 분리판은 단위 셀을 수용하기 위한 관통구가 형성될 수 있다. 이 때 상기 관통구의 하단에는 상단의 직경에 비하여 작은 직경을 갖는 지지부가 형성될 수 있다. 한편, 상기 관통구는 하부로 갈수록 직경이 줄어들도록 형성될 수도 있다.
또한 상기 그루브는 종단면 형상이 일정하도록 상기 관통구 내주면을 따라 형성될 수 있다.
또한 상기 그루브는 상부의 압박면과 하부의 지지면을 구비할 수 있다.
또한 상기 압박면과 상기 분리판은 30도 내지 60도의 각도를 이루도록 형성될 수 있다.
또한 상기 지지면과 상기 분리판은 0도 내지 50도의 각도를 이루도록 형성될 수 있다.
또한 상기 용착부는 상기 단위 셀의 열팽창 계수와 5% 내외의 차이를 갖는 열팽창 계수를 갖도록 형성될 수 있다.
또한 상기 분리판의 열팽창 계수는 상기 단위 셀의 열팽창 계수와 5% 내외의 차이를 갖는 열팽창 계수를 갖도록 형성될 수 있다.
또한 상기 분리판은 둘 이상 구비되고, 상기 용착부는 상기 분리판 사이에 더 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면 용접 부위에 밀봉재가 위치할 수 있는 홈을 구비함으로써 용착부가 안정적으로 형성될 수 있도록 한다. 또한 이러한 홈에 형성된 경사부는 밀봉재를 단위 셀 방향으로 힘을 가하게 됨으로써 밀봉 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 2중의 실링 구조를 통하여 밀봉 효율을 향상시킬 수 있으며, 고온 및 고압 분위기에서도 안정적인 실링구조를 유지할 수 있다.
도 1은 고체산화물연료전지의 튜블라형 단위 셀을 이용한 스택의 모습을 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1의 스택의 모습을 나타내는 개략적인 횡단면도이다.
도 3은 비교예에 의한 분리판과 단위 셀 간의 실링구조를 나타내는 개략적인 종단면도이다.
도 4a는 일 실시예에 의한 분리판의 실링부를 나타내는 개략적인 종단면도이다.
도 4b는 도 4a의 분리판과 단위 셀간의 실링구조를 나타내는 개략적인 종단면도이다.
도 5는 다른 비교예에 의한 분리판과 단위 셀 간의 실링구조를 나타내는 개략적인 종단면도이다.
도 6는 다른 실시예에 의한 이중 실링구조를 나타내는 개략적인 종단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 의한 분리판과 단위 셀간의 실링구조를 나타내는 개략적인 종단면도이다.
도 8 내지 도 11은 각각 다른 실시예에 의한 분리판과 단위 셀간의 실링구조를 나타내는 개략적인 종단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 상하좌우 등 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다. 한편, 도면상에서 표시되는 각 구성은 설명의 편의를 위하여 그 두께나 치수가 과장될 수 있으며, 실제로 해당 치수로 구성되어야 함을 의미하지는 않는다.
일반적인 연료전지는 연료를 개질하여 공급하는 연료변환기(개질기 및 반응기)와 연료전지 모듈로 구성된다. 여기서 연료전지 모듈은 화학적 에너지를 전기화학적인 방법으로 전기에너지와 열에너지로 전환하는 연료전지 스택을 포함한 어셈블리(assembly)을 말한다. 즉 연료전지 모듈은 연료전지 스택; 연료, 산화물, 냉각수, 배출물 등이 이동하는 배관 시스템; 스택에 의해 생산된 전기가 이동하는 배선; 스택의 제어 혹은 모니터링을 위한 부분; 스택의 이상상태 발생시 조치를 위한 부분 등을 포함한다. 본 발명은 이 중에서도 복수의 단위 셀을 하나의 단위로 하여 전기화학적 반응에 의하여 발전하는 연료전지 스택 내의 분리판과 단위 셀간의 실링구조에 관한 것이다. 이하 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하여 단위 셀(10) 및 유로관(115)에 대하여 설명한다. 도 1은 고체산화물연료전지의 튜블라형 단위 셀을 이용한 스택의 모습을 나타내는 개략도이고, 도 2는 도 1의 스택의 모습을 나타내는 개략적인 횡단면도이다.
단위 셀(10)은 연료변환기로부터 개질된 연료를 공급받아 산화반응에 의하여 전기를 생산하는 구성이다. 단위 셀(10)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 대략 튜브형으로 형성되어 있다. 튜브형 연료전지는 중심축으로부터 방사상으로 연료극, 전해질층 및 공기극이 적층된 연료극 지지체식으로 형성되거나, 이와는 반대로 공기극, 전해질층 및 연료극 순으로 적층된 공기극 지지체식으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 설명의 편의상 연료극 지지체식에 대하여 설명을 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 실시예와 달리 공기극 지지체식으로 형성된 단위 셀을 이용하는 경우에는 이하에서 설명할 연료와 산화제가 이동하는 각 구성들이 뒤바뀌게 되며 본 발명의 실시예와 결합되어 사용될 수 있다.
단위 셀(10)의 하단은 폐쇄되어 있다. 한편, 단위 셀(10)의 상세한 구성 및 작용은 본 발명의 핵심과 관련된 사항이 아니므로 구체적인 설명은 생략한다.
단위 셀(10)의 내부에는 유로관(115)를 구비한다. 유로관(115)은 상술한 단위 셀(10)의 내경보다 작은 직경을 갖는 대략 원통형 부재로 형성된다. 유로관(115)은 단위 셀(10) 내부에 삽입된 상태로 구비되고 양단이 개방되어 있다. 유로관(115)과 단위 셀(10) 사이는 일정 간격을 유지하여 기체 및/또는 유체가 소통가능한 유로를 형성한다.
한편, 유로관(115)의 상단은 후술할 제1 연료챔버(A1)와 유체소통 가능하도록 연결되며, 단위 셀(10)의 상단은 후술할 제2 연료챔버(A2)와 유체소통 가능하도록 연결된다.
도 1 및 도 2를 참조하여 제1 연료챔버(A1) 및 제2 연료챔버(A2)를 설명한다. 단위 셀(10)은 앞서 설명한 바와 같이 수소가 주 성분을 이루고 있는 연료를 공급받아 산화반응을 통해 전자를 생성시킨다. 이 때 제1 연료챔버(A1)는 연료전지 스택(100)의 최 상단에 위치하고, 연료변환기 등 연료공급장치로부터 연료공급관(111a)를 통하여 연료를 공급받는다.
제1 연료챔버(A1)의 하단에는 상술한 유로관(115)이 제1 연료챔버(A1)와 유체 소통 가능하도록 연결된다. 제1 연료챔버(A1)로 공급된 연료는 복수의 제1 연료챔버(A1)의 하단에 연결된 각각의 유로관(115)으로 분배되어 흐르게 된다.
제2 연료챔버(A2)는 제1 연료챔버(A1)의 아래에 한 층을 이루도록 형성된다. 제2 연료챔버(A2)는 단위 셀(10)의 상단과 유체 소통 가능하도록 연결되어 단위 셀(10)로부터 산화반응 후의 오프 가스가 유입된다. 제2 연료챔버(A2)는 유입된 오프 가스를 배출하는 오프가스 배출관(111b)을 구비한다.
즉, 수소를 주 성분으로 하는 연료는 먼저 연료 공급관(111a)를 통하여 제1 연료챔버(A1)로 유입이 되고, 각각의 유로관(115)으로 분배된다. 유로관(115)으로 유입된 연료는 유로관(115) 하단으로부터 유로관(115)과 단위 셀(10) 내주면 사이에 형성된 유로를 따라 상승하면서 산화반응을 한다. 산화 반응을 끝낸 오프 가스는 단위 셀(10)의 상단으로부터 제2 연료챔버(A2)로 유입된 후 오프가스 배출관(111b)을 통하여 배출된다.
도 1 및 도 2를 참조하여 제1 산화제챔버(A3) 및 제2 산화제챔버(A4)를 설명한다.
제1 산화제챔버(A3)는 연료전지 스택(100)의 최 하단에 위치하며, 산화제 공급관(112a)으로부터 유입되는 외부의 산화제가 최초로 유입되는 영역이다. 제1 산화제챔버(A3)의 상부에는 분배부(131)가 구비되고 다수의 관통홀이 형성된 판형으로 이루어진 구성을 포함할 수 있다. 분배부(131)는 관통홀의 개수 및 위치에 따라 후술할 제2 산화제챔버(A4) 내로 산화제를 균일하게 공급하는 역할을 하게 된다. 한편, 분배부(131)는 다공성 재질로 형성되거나, 별도의 산화제 이동 통로를 형성하는 방식으로 구현될 수 있다. 한편, 상기 산화제 공급관(112a)을 통하여 공급되는 산화제로는 에어 또는 순수한 산소(O2)만을 공급하거나 산소를 포함하는 다른 가스를 공급하는 것도 가능하다.
제2 산화제챔버(A4)는 상술한 단위 셀(10)의 외부면을 감싸는 영역이다. 분배부(131)를 통과한 산화제는 제2 산화제챔버(A4)로 유입된다. 산화제는 제2 산화제챔버(A4) 하단으로부터 상승하면서 단위 셀(10)의 외주면 즉, 본 실시예에서는 공기극에서 환원반응을 하고 산소이온을 발생시키게 된다. 제2 산화제챔버(A4)의 상단까지 상승한 산화제는 측면에 형성된 산화제 배출구(112b)를 통하여 외부로 배출된다.
한편, 제2 연료챔버(A2)의 하단과, 제2 산화제챔버(A4)의 상단은 하나 이상의 분리판(120)으로 구분 및 밀폐되어 있다. 분리판(120)은 플레이트 형상으로 형성되된다. 또한 분리판(120)에는 도 2에 도시된 바와 같이 단위 셀(10)이 수용될 수 있도록 스택(100)에 구비되는 단위 셀(10)의 수와 동일한 수의 관통구(121)가 형성된다. 연료전지 스택(100)의 제조 시에 상술한 분리판(120)의 관통구(121)에 단위 셀(10)이 삽입된 후 관통구(121)와 단위 셀(10)의 외주면을 용접하여 분리판(120)에 의하여 형성되는 제2 연료챔버(A2)와 제2 산화제챔버(A4)를 구분 및 밀폐시키게 된다.
연료전지의 운전 중 연료의 주 성분인 수소와 산화제에 포함된 산소가 접촉하는 경우 의도하지 않는 산화반응 또는 폭발반응이 일어날 염려가 있다. 따라서 상술한 제2 연료챔버(A2)와 제2 산화제챔버(A4) 사이의 밀폐구조는 안정성을 위한 주요 이슈가 된다.
도 3을 참조하여 비교예에 의한 분리판의 밀봉구조에 대하여 설명한다. 도 3은 비교예에 의한 분리판(120)과 단위 셀(10) 간의 실링 구조를 나타내는 개략적인 종단면도이다.
일반적인 경우 분리판(120)에 상술한 단위 셀(10)이 수용될 수 있도록 원통형의 관통구(121)를 형성한다. 또한 관통구(121)에 단위 셀(10)을 수용한 후 관통구(121)의 내주면과 단위 셀(10)의 외주면 사이에 용착부(200, filler-metal)를 형성한다. 용착부(200)는 브레이징(brazing)에 의하여 형성되며, 단위 셀(10)과 분리판(120)을 고정하고 밀봉시키는 역할을 한다.
그러나 이러한 실링 구조는 분리판(121)과 단위 셀(10) 사이에만 밀봉을 함으로써 용착부(200)가 적절하게 지지되지 못한다. 또한 용착부(200)가 응고되는 순간까지 용착부(200)에 미치는 힘은 중력 및 용착부(200)의 원재료 특성에 의한 표면장력 이외에는 없다. 따라서 이러한 용착부(200)는 응고후의 구성이 치밀하지 못하고 단위 셀(10)과 분리판(121)의 결합력이 충분할 정도로 견고하지 못하다.
도 4a 내지 도 5를 참조하여 일 실시예에 의한 분리판(120a)과 단위 셀(10) 간의 실링 구조를 설명한다. 도 4a는 일 실시예에 의한 분리판의 모습을 나타내는 개략적인 종단면도이고, 도 4b는 도 4a의 분리판과 단위 셀간의 실링구조를 나타내는 개략적인 종단면도이며, 도 5은 다른 비교예에 의한 분리판과 단위 셀 간의 실링구조를 나타내는 개략적인 종단면도이다.
분리판(120a)에는 단위 셀(10)을 수용하기 위한 관통구(121)가 형성된다. 관통구(121)는 스택에 구비되는 단위 셀(10)과 동일한 수로 형성된다. 관통구(121)의 내주면에는 그루브(122)가 형성된다. 즉, 상기 그루브는 관통공(121)을 정의하는 분리판의 측벽상에 형성된다. 그루브(122)는 관통구(121) 내주면을 따라 형성된다. 이 때 그루브(122)는 후술할 용착부의 균일한 형성을 위하여 종단면도 상에서 그 형상이 일정하게 형성되는 것이 바람직하다.
도 4a, 4b에 도시된 바와 같이, 그루브(122)는 상부의 압박면(H1)과 지지면(H2)으로 형성된다. 본 발명의 실시예에서 압박면(H1)은 분리판(120a)과 일정한 각도를 이루도록 형성된다. 한편, 지지면(H2)은 압박면(H1)의 일단으로부터 분리판(120a)과 대략 평행하게 형성된다.
이렇게 형성된 분리판(120a)에 형성된 관통구(121)에 단위 셀(10)을 수용한 후 용착부(200a)를 형성하게 된다. 용착부(200a)는 가열되어 유동성을 갖는 밀봉재(200a)를 밀봉재 투입 장치를 통하여 관통구(121)에 흘려 넣고 응고를 시키게 된다.
지지면(H2)은 응고 전의 밀봉재(200a)를 응고되기까지 충분히 지지하는 기능을 하게 된다. 지지면(H2)은 밀봉재(200a)가 표면장력에 의하여 부착되고 지지될 수 있는 충분한 표면적을 제공한다.
밀봉재(200a)는 응고 이전에 표면장력에 의하여 부풀어 오르려는 성질을 갖고 있다. 이 때 압박면(H1)은 밀봉재(200a)가 부풀어 오르는 것에 대한 반작용으로 밀봉재(200a)를 단위 셀(10) 방향(P1)으로 압박하게 되고, 지지면(H2)은 밀봉재(200a)를 지지하게 된다. 그 결과 압박면(H1)의 압박과 지지면(H2)의 지지에 의하여 응고된 용착부(200a)의 치밀성이 향상된다. 이러한 방식으로 응고된 용착부(200a)는 앞서 설명한 바와 같이 분리판(200a)와 단위 셀(10) 사이의 간극을 밀폐시키게 된다.
한편, 분리판(120c)에 지지면이 없는 경우를 도 5에 도시하였다. 이 경우 압박면(H1b)이 밀봉재(200d)를 압박하더라도 응고전인 밀봉재(200d)를 지지하는 부분이 없어 용착부(200d)의 치밀성을 높이기 힘들 뿐 아니라 밀봉재(200d)가 흘러서 연료전지 스택 내부를 오염시킬 수도 있다.
한편, 연료전지에 있어서는 고온의 가동 조건에 의하여 필연적으로 각 구성의 열팽창율을 고려하여야 한다. 즉, 단위 셀과 분리판과 용착부는 각각 열팽창률 면에서 큰 차이가 없어야 한다. 단위 셀과 분리판과 용착부 중 어느 하나의 구성이라도 열팽창율이 다른 구성과 큰 차이가 있는 경우에는 연료전지의 운전 중 고온에 의하여 균열이 발생할 위험이 있으며, 이 경우 앞서 설명한 바와 같이 연료의 수소와 산화제 중의 산소가 접촉하여 급격한 산화 또는 폭발이 발생할 우려가 있다.
따라서 용착부와 분리판은 각각 단위 셀의 열팽창률과 약 5% 이내의 차이를 갖는 재질로 형성되어야 한다. 일반적으로 분리판의 경우 SUS 400계열, Ni-Cr-Fe 합금으로 열팽창 계수가 약 12-13 x 10-6 /K 범위 안에 들어오는 재료를 사용한다. 이 때 용착부(200a)는 SiO2, B2O3, Al2O3 등의 성분을 함유하는 밀봉재를 이용하여 형성하게 되는데, SiO2, B2O3, Al2O3 등의 성분을 조절하여 열 팽창률을 분리판(120a)의 열팽창률과 5% 이내의 차이를 갖도록 형성하여야 한다.
도 6을 참조하여 다른 실시예에 의한 분리판과 단위 셀의 실링구조를 설명한다. 도 6은 다른 실시예에 의한 이중 실링구조를 나타내는 개략적인 종단면도이다.
본 실시예에서는 분리판(120a)을 이중으로 구비한다. 이 때 용착부(200b)는 분리판(120a)의 그루브(122; 도 4a 참조)에 형성되는 것 이외에도, 두 분리판(120a) 사이에 넓게 분포할 수 있다.
먼저 하부의 분리판(120a)의 관통구에 단위 셀(10)을 삽입 시킨 후 하부 분리판(120a)의 그루브와 단위 셀(10) 사이에 밀봉재를 투입하고, 다음으로 하부의 분리판(120a) 상부에 밀봉재를 얇게 도포한다. 이어서 상부의 분리판(120a)를 하부의 분리판(120a) 상부에 위치시킨다. 이어서 상부의 분리판(120a)의 그루브와 단위 셀(10) 사이에 밀봉재를 투입한다. 이후 밀봉재는 응고되어 용착부(200b)를 형성하게 된다.
양 분리판(120a) 사이에 도포되는 밀봉재는 그 두께를 최소화 하는 것이 바람직하다. 양 분리판(120a) 사이에 도포된 용착부(200b)의 두께가 두꺼워 질수록 양 분리판(120a)과 양 분리판(120a) 사이에 형성된 용착부(200b)의 열팽창률 차이로 인하여 용착부(200b)에 균열이 발생할 우려가 커지게 된다. 이러한 이유로 양 분리판(120a) 사이의 용착부(200b)는 1mm 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
도 7을 참조하여 또 다른 실시예에 의한 분리판과 단위 셀의 실링구조를 설명한다. 도 7은 또 다른 실시예에 의한 분리판과 단위 셀간의 실링구조를 나타내는 개략적인 종단면도이다.
본 실시예는 그루브의 구조면에서 차이가 있다. 먼저 압박면(H1a)은 앞서 설명한 실시예와 같이 분리판(120b), 혹은 분리판의 둘레 또는 외측면에 대하여 일정한 각도를 이루도록 형성된다. 또한 지지면(H2a)은 앞서 설명한 실시예와 달리 분리판(120b), 혹은 분리판의 둘레 또는 외측면에 대하여 일정한 각도를 이루도록 형성된다. 이 경우 지지면(H2a)은 응고전의 밀봉재(H2a)가 중력에 의하여 받는 아래 방향의 힘을 어느 정도 단위 셀(10) 방향으로 전환시키게 된다.
밀봉재(200c)는 밀봉재 투입 장치를 통하여 그루브(H1a, H2a)와 단위 셀(10) 사이에 투입된다. 밀봉재가 응고되면 용착부(200c)를 형성하게 된다. 이 때 압박면(H1a)과 지지면(H2a)의 구조적인 특성으로 인하여 용착부(200c)의 치밀성을 향상시키게 된다. 즉 위와 같이 압박면(H1a)과 지지면(H2a)이 분리판(200c)의 둘레에 일정한 각을 이루도록 형성되는 경우에는 투입되는 밀봉재를 대략 단위 셀(10) 방향으로 압박하여 치밀성이 높은(closely-knit) 용착부(200c)를 형성시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 이러한 이유로 압박면(H1a)과 분리판(120b)이 이루는 각(P2)은 약 30도 내지 60도의 각도를 이루도록 형성되는 것이 바람직하다. 압박면(H1a)과 분리판(120b)이 30도 이내의 각을 이루도록 형성되는 경우에는 압박면(H1a)이 밀봉재(200c)를 단위 셀(10) 방향으로 압박하는 효과를 얻기 어려우며, 60도 이상의 각을 이루도록 형성되는 경우에는 지지면(H2a)이 매우 가파르게 형성되어(steep) 압박면(H1a)과 지지면(H2a)에 의하여 형성되는 그루브의 공간이 협소해져 충분한 밀봉재를 포함할 수 없게 된다.
또한 지지면(H2a)과 분리판(120b)은 50도 이하의 각도를 이루도록 형성되는 것이 바람직하다. 지지면(H2a)과 분리판(120b)의 각도가 50도 이상인 경우에는 밀봉재(200c)를 단위 셀(10) 방향으로 밀착시키는 효과는 증가되지만 밀봉재(200c)를 지지하는 효과가 점차 적어지게 된다.
도 8 및 도 9를 참조하여 또 다른 실시예에 의한 분리판과 단위 셀의 실링구조를 설명한다. 도 8 및 도 9는 또 다른 실시예에 의한 분리판과 단위 셀간의 실링구조를 나타내는 개략적인 종단면도이다.
본 실시예에서의 분리판(120e)에는 관통구 내주면에 종단면 형상이 반원형 또는 호형인 그루브(122e)가 형성된다. 그루브(122e)의 상부가 압박면의 역할을 하게 되고, 그루브(122e)의 하부가 지지면의 역할을 하게 된다. 결국 그루브(122e)가 부풀어 오르는 밀봉재(200e)를 압박하여 치밀성을 향상시키고 동시에 하부로 누출 또는 흘러 내리지 않도록 지지하는 역할을 하게 된다.
한편, 도 9에 도시된 실시예에 의한 분리판(120f)에는 관통구 내주면에 각진 형상의 또는 대략 U자형 횡단면을 갖는 그루브(122f)가 형성된다. 이 경우 앞서 설명한 도 4b 또는 도 7의 실링구조에 비하여 밀봉재(200f)를 압박하는 작용은 덜 하지만, 그루브(122f)로 인하여 분리판(120f)과 밀봉재(200f)의 접촉면적이 늘어남으로써 밀봉재(200f)의 유동성이 제한된다. 결과적으로 본 실시예는 밀봉재(200f)가 아래로 누출 또는 흘러 내리는 것을 최대한 방지하는 효과가 있다.
도 10 및 도 11을 참조하여 또 다른 실시예에 의한 분리판과 단위 셀의 실링구조를 설명한다. 도 10 및 도 11은 각각 또 다른 실시예에 의한 분리판과 단위 셀간의 실링구조를 나타내는 개략적인 종단면도이다.
도 10에 도시된 바와 같이 관통구의 하단에 관통구의 상부에 비하여 직경이 작게 형성된 대략 L자형상의 횡단면을 가지는 지지부(122g)를 형성할 수 있다. 지지부(122g)는 밀봉재(200e)와의 접촉면적을 증가시켜주며 밀봉재(200e)가 아래로 누출 또는 흘러 내리는 것을 방지하는 역할을 하게 된다.
한편, 도 11의 실시예에서와 같이 별도의 지지부를 형성하지 않고 관통구의 직경이 아래로 갈수록 줄어들도록 하여 지지면(122h)을 형성할 수 있다. 이 경우 아래로 갈수록 단위 셀(10)과 분리판(120h)과의 간격이 줄어들게 되므로 밀봉재(200h)의 유동성을 제한하여 밀봉재(200h)가 아래로 흘러 내리는 것을 방지하는 효과가 있다. 또한 지지면(122h)은 밀봉재(200h)가 아래로 흘러내리려는 힘의 반작용으로 밀봉재(200h)의 치밀성을 향상시키는 효과도 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 연료 및 산화제 챔버 밀봉을 위한 분리판 및 이를 구비한 고체산화물 연료전지로 구현될 수 있다.
120, 120a, 120b, 120c, 120e, 120f, 120g, 120h: 분리판
200, 200a, 200b, 200c, 200d, 200e, 200f, 200g, 200h: 용착부
122, 122e: 그루브 H1, H1a: 압박면
H2, H2a, 122h: 지지면
122g: 지지부

Claims (20)

  1. 단위 셀;
    상기 단위 셀이 수용되어 연장되는 관통구를 구비하고 상기 관통구에 인접한 측벽상에 그루브를 구비하는 분리판; 및
    상기 분리판의 그루브내에 형성되고 단위 셀과 접촉되는 용착부를 포함하는 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그루브는 용착부와 접촉되는 지지면(supporting surface)과 용착부와 접촉되는 지지면으로부터 연장되는 압박면(pressing surface)을 포함하는 연료전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 압박면과 상기 압박면에 인접한 분리판은 30도 내지 60도의 각도를 형성하는연료전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 지지면과 상기 분리판은 0도 내지 50도의 각도를 이루도록 형성되는 연료전지.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 지지면과 압박면은 V 자 형상으로 이루어진 연료전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 그루브의 횡단면은 호 형상, 실질적으로 U 자 형상 또는 L 자 형상의 어느 하나인 연료전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분리판의 관통구에 인접한 측벽과 대향하는 측벽은 서로 평행하지 않도록 형성된 연료전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 그루브는 경사진 측벽으로 형성되는 연료전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 분리판과 용착부는 서로 5% 이내의 차이를 갖는 열팽창 계수를 갖는 물질을 포함하는 연료전지.
  10. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 추가 분리판을 더 포함하고 상기 추가 분리판은 용착부와 접촉하는 그루브를 포함하는 연료전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 용착부는 상기 분리판과 상기 적어도 하나의 추가 분리판 사이에 위치하는 연료전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 단위 셀에 연료를 공급하는 제1 연료챔버;
    상기 단위 셀에서 배출되는 가스를 수집하는 제2 연료챔버;
    산화제가 유입되는 제1 산화제챔버; 및
    상기 제1 산화제챔버를 통하여 산화제를 공급받기 위하여 상기 단위 셀과 접촉되는 제2 산화제챔버를 포함하되,
    상기 분리판은 상기 제2 연료챔버와 제2 산화제챔버 사이에 배치되는 연료전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지는 고체산화물 연료전지를 포함하는 연료전지.
  14. 단위 셀을 포함하는 연료전지용 분리판에 있어서,
    상기 분리판은 단위 셀을 지지하기 위한 몸체부상에 상기 단위 셀이 수용되어 연장되기 위한 관통구를 구비하고 상기 관통부에 인접한 측벽상에 그루브가 형성된 연료전지용 분리판.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 그루브는 용착부를 지지하기 위한 지지면과 상기 지지면에서 연장된 압박면을 포함하는 연료전지용 분리판.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 압박면과 상기 압박면에 인접한 분리판은 30도 내지 60도의 각도를 형성하는연료전지.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 지지면과 상기 지지면에 인접한 분리판은 0도 내지 50도의 각도를 이루도록 형성되는 연료전지.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 지지면과 압박면은 V 자 형상으로 이루어진 연료전지.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 그루브의 횡단면은 호 형상, 실질적으로 U 자 형상 또는 L 자 형상의 어느 하나인 연료전지.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 분리판의 관통구에 인접한 측벽과 대향하는 측벽은 서로 평행하지 않도록 형성된 연료전지.
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