KR20130137795A - 연료 전지용 집전판 및 이를 포함하는 스택 구조물 - Google Patents

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Abstract

연료 전지용 집전판은 전해질층과, 전해질층의 양면들 각각에 공기극층 및 연료극층을 포함하여 전기를 생성하는 연료 전지에서 공기극층 또는 연료극층에 전기적으로 면접촉하는 평탄면과, 공기극층 또는 연료극층 각각에 공기 또는 연료 가스가 직접 접촉하도록 타공된 다수의 타공들을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지용 집전판 및 이를 포함하는 스택 구조물{CURRENT COLLECTOR FOR FUEL CELL AND STACK STRUCTURE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 연료 전지용 집전판 및 이를 포함하는 스택 구조물에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 연료 전지로부터 생성된 전기를 집전할 수 있는 집전판 및 이를 포함하여 다수의 연료 전지들이 적층된 스택 구조물에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지란 전해질층 양면들 각각에 공기극층 및 연료극층을 형성하고, 이 공기극층 및 연료극층 각각에 산소를 포함하는 공기와 수소를 포함하는 연료 가스를 흘려주면 상기의 전해질층에서 이온 전도현상을 통해 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하여 전기를 생성하는 발전 장치이다.
이러한 연료 전지는 에너지 전환단계가 간단하고 원리적으로 수소를 산화시켜 에너지를 생산하는 고효율, 무공해 발전기라는 친환경적인 특성 때문에 최근 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히, 상기 연료 전지 중 고체산화물 연료 전지(SOFC)는 전해질로써 세라믹을 사용하여 약 600 내지 1000 ℃ 정도의 고온에서 작동되는 연료전지로써, 다른 용융탄산염 연료전지(MCFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자형 연료전지(PEFC) 등 여러 형태의 연료 전지들 중 가장 효율이 높고 공해가 적을 뿐 아니라, 연료 개질기를 필요로 하지 않고 복합발전이 가능하다는 여러 장점을 지니고 있다.
이러한 연료 전지의 전해질층, 공기극층 및 연료극층이 한 쌍으로 이루어진 것을 통상 단전지(single cell)라고 하며, 이 단전지가 생성하는 전기는 대략 1V 미만의 전압으로 실효성이 없기 때문에 이를 스택 구조물 형태로 다수 적층함으로써 생성되는 전압을 높이는 기술이 각광을 받고 있다.
이러한 스택 구조물에는 상기 단전지들 사이에서 이들을 전기적으로 연결함은 물론, 상기 단전지의 공기극층 및 연료극층과 접하는 위치에서 상기 공기 및 연료 가스를 흘려주기 위한 채널이 형성된 다수의 인터커넥터들이 반드시 필요하다. 이때, 상기 인터커넥터와 상기 단전지 사이에는 상기 단전지들로부터 생성된 전기를 효율적으로 집전하기 위하여 집전체가 추가로 배치된다.
그러나, 종래의 집전체는 와이어들을 직조한 메쉬 형태로 제작됨에 따라 그 와이어들이 교차되는 접합 부분에서 상기 인터커넥터 및 상기 단전지들과 전기적으로 점접촉하고 있으므로, 집전 효율이 떨어질 뿐만 아니라 점접촉 부분에서 하중이 과도하게 집중되기 때문에 상기 단전지들에 크랙 등의 파손이 발생될 우려가 있다. 특히, 상기 집전체는 상기 인터커넥터의 채널 부분에서 상기의 점접촉에 의한 하중 집중에 의해 휘게 됨으로써, 상기의 채널 부분에서 상기 단전지와 이격되어 집전 효율이 더욱더 떨어질 수 있다.
또한, 이러한 집전체는 구조 상 표면이 평탄하지 못하기 때문에, 이의 표면에서 피독 물질이 생성되는 것을 방지하기 위한 코팅막을 균일하게 형성하기도 어려운 공정 상의 문제점도 안고 있다.
본 발명의 목적은 연료 전지와의 전기적인 접촉 면적을 증가시켜 생성된 전기를 효율적으로 집전할 수 있는 집전판을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 집전판을 포함하여 연료 전지들을 적층한 스택 구조물을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 일 특징에 따른 연료 전지용 집전판은 전해질층과, 상기 전해질층의 양면들 각각에 공기극층 및 연료극층을 포함하여 전기를 생성하는 연료 전지에서 상기 공기극층 또는 상기 연료극층에 전기적으로 면접촉하는 평탄면과, 상기 공기극층 또는 상기 연료극층 각각에 공기 또는 연료 가스가 직접 접촉하도록 타공된 다수의 타공들을 갖는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른 상기 집전판은 상기 공기 또는 연료 가스를 흘려주는 채널을 형성하기 위한 채널 형성부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 집전판은 표면에 코팅막이 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 타공들은 동일한 모양 또는 크기로 균일하게 형성될 수 있다.
다른 실시예에 따른 이웃하는 행 또는 열에 따른 상기 타공들은 서로 어긋난 구조로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 상기 타공들은 영역별로 서로 다른 모양 또는 크기로 균일하게 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 상기 타공들은 각각 모서리 부분이 라운드지게 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 집전판은 0.1 내지 2㎜의 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 타공들은 에칭 공정 또는 펀칭 공정을 통하여 형성될 수 있다.
상술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 전해질층과, 상기 전해질층의 양면들 각각에 공기극층 및 연료극층을 포함하여 전기를 생성하는 연료 전지가 다수 적층되는 스택 구조물은 상기 다수의 연료 전지들 사이에서 각 연료 전지를 지지하면서 전기적으로 연결되는 인터커넥터 및 상기 인터커넥터와 상기 연료 전지의 공기극층 또는 연료극층 사이에서 전기적으로 면접촉하며 상기 공기극층 또는 상기 연료극층 각각에 공기 및 연료 가스가 직접 접촉하도록 타공된 다수의 타공들을 갖는 집전판을 포함한다.
일 실시예에 따른 상기 접전판은 상기 공기 또는 연료 가스를 균일하게 흘려줄 수 있는 다수의 채널들을 형성하면서 인터커넥터와 면접촉하는 채널 형성부들을 포함할 수 있다.
이러한 연료 전지용 집전판 및 이를 포함하는 스택 구조물에 따르면, 인터커넥터와 연료 전지의 공기극층 또는 연료극층 사이에 이들과 면접촉하도록 집전판의 양면을 평탄하게 제작함으로써, 상기 연료 전지로부터 생성된 전기의 집전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 연료 전지들이 다수 적층된 스택 구조물에서 상기의 면접촉에 의해 하중이 분산됨으로써, 배경기술에서와 같이 점접촉에 의한 하중 집중으로 상기 연료 전지가 파손되는 것을 방지하여 물리적 안정성도 확보할 수 있다. 아울러, 상기 집전판의 표면이 평탄함에 따라 표면에서 피독 물질의 생성을 방지하기 위한 코팅막도 균일하게 형성시킬 수 있으므로, 상기의 피독 물질에 의해 전도성이 떨어지는 것도 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 구조물을 나타낸 분해 사시도이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 스택 구조물의 집전판을 나타낸 도면들이다.
도 3은 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅰ＇선을 따라 절단하여 일부분을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 A부분을 확대한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 도 1에 도시된 스택 구조물에서 종래의 집전판과 본 발명의 집전판 각각에 하중이 전달되는 상태를 나타낸 실험 사진들이다.
도 6은 도 1의 에 도시된 Ⅰ-Ⅰ＇선을 따라 절단하여 일부분을 다른 실시예에 따라 구체적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 집전판 및 이를 포함하는 스택 구조물에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 구조물을 나타낸 분해 사시도이고, 도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 스택 구조물의 집전판을 나타낸 도면들이고, 도 3은 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅰ＇선을 따라 절단하여 일부분을 구체적으로 나타낸 도면이며, 도 4는 도 3의 A부분을 확대한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 구조물(1000)은 다수의 인터커넥터(100)들 및 다수의 집전판(200)들을 포함한다.
인터커넥터(100)들은 평판 구조를 갖는 연료 전지(10)들 사이에 배치된다. 여기서, 연료 전지(10)는 전해질층(12)과, 이 전해질층(12)의 양면들 각각에 공기극층(14) 및 연료극층(16)을 포함하여 전기를 생성한다. 구체적으로, 연료 전지(10)는 공기극층(14) 및 연료극층(16) 각각에 산소를 포함하는 공기와 수소를 포함하는 연료 가스를 흘려주면 전해질층(12)에서 이온 전도현상을 통해 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하여 전기가 생성된다.
전해질층(12)은 높은 이온 전도성, 우수한 산화-환원 분위기에서의 안정성 및 우수한 기계적 특성을 갖는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ: Yttria-Stabilized Zirconia), (La, Sr)(Ga, Mg)O3, Ba(Zr,Y)O3, GDC(Gd doped CeO2), YDC(Y2O3 doped CeO2) 등과 같은 세라믹 물질로 형성될 수 있다. 이러한 전해질층(12)을 포함하는 연료 전지(10)를 통상적으로 고체산화물 연료 전지(SOFC)라고 명칭하며 약 600 내지 1000 ℃의 고온에서 작동되는 것이 특징이다. 공기극층(14)은 산소가 이동할 수 있도록 LSM(Lanthanum strontium manganite), LSCF(Lanthanum strontium cobalt ferrite) 등을 이용하여 다공질 구조로 형성될 수 있다. LSM(Lanthanum strontium manganite)은 란탄늄(La), 스트론튬(Sr) 및 망간(Mn)의 복합체이고, LSCF(Lanthanum strontium cobalt ferrite)는 란탄늄(La), 스트론튬(Sr), 코발트(Co) 및 철(Fe)의 복합물이다. 연료극층(16)은 수소가 이동할 수 있도록 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ: Yttria-Stabilized Zirconia)와 니켈(Ni)의 혼합물을 이용하여 다공질 구조로 형성될 수 있다.
인터커넥터(100)는 전도성 재질로 이루어져 접하는 연료 전지(10)의 공기극층(14) 또는 연료극층(16)과 전기적으로 연결된다. 구체적으로, 연료 전지(10)들이 인터커넥터(100)들에 의해 서로 직렬로 연결됨으로써, 연료 전지(10)들로부터 높은 전압의 전기를 얻을 수 있다.
또한, 인터커넥터(100)는 연료 전지(10)들의 공기극층(14) 또는 연료극층(16)과 마주하는 면에 공기 또는 연료 가스를 균일하게 흘려줄 수 있는 다수의 채널(110)들을 형성하기 위하여 격벽 역할을 하는 채널 형성부(120)들이 형성된다. 이때, 인터커넥터(100)의 상부면 및 하부면 각각은 연료 전지(10)들의 공기극층(14) 또는 연료극층(16)과 전기적으로 연결되기 때문에, 채널(110)들 및 채널 형성부(120)들도 인터커넥터(100)의 상부면 및 하부면에 모두 형성될 수 있다.
이에, 스택 구조물(1000)은 인터커넥터(100)의 상부면 및 하부면 각각으로 흘려주는 공기 또는 연료 가스가 서로 혼합되지 않도록 인터커넥터(100)들 사이에 공간을 실링하기 위한 실링부(300)가 배치될 수 있다. 실링부(300)는 실링성이 우수한 유리 밀봉재를 사용할 수 있으며, 이럴 경우 유리의 특성 상 유동성을 가질 수 밖에 없으므로, 이를 억제하기 위해 섬유(fiber)를 추가하여 상기의 유동성을 제어할 수 있다.
인터커넥터(100)는 약 600 내지 1000℃의 고온에서 운전되는 연료 전지(10)에 견딜 수 있도록 SUS-Cr 재질로 이루어질 수 있다. 이럴 경우, 상기의 물질 중 피독 물질인 Cr이 산화된 CrO2막이 인터커넥터(100)의 표면에 형성됨으로써 전도성이 떨어지는 것을 방지하고자, 인터커넥터(100)의 표면에는 별도의 제1 코팅막(130)이 형성될 수 있다. 상기 제1 코팅막(130)은 일 예로, LSM(Lanthanum strontium manganite) 또는 LSCF(Lanthanum strontium cobalt ferrite)를 포함할 수 있다. 또는, 상기 제1 코팅막(130)은 망간(Mn), 코발트(Co), 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 아연(Zn), 주석(Sn) 또는 티타늄(Ti)으로부터 적어도 하나 또는 그 이상으로 선택된 혼합 물질로 이루어질 수 있다.
집전판(200)들은 인터커넥터(100)들과 연료 전지(10)들의 공기극층(14) 또는 연료극층(16) 사이에 배치되어 이들과 전기적으로 연결된다. 집전판(200)은 실질적으로 인터커넥터(100)의 채널(110)들에 노출된 상태에서 채널 형성부(120)들과 전기적으로 연결된다. 이러한 집전판(200)들은 연료 전지(10)들로부터 생성된 전기를 효율적으로 얻고자 이들 각각으로부터 생성된 전기를 집전한다. 이때, 집전판(200)들은 인터커넥터(100)들 및 연료 전지(10)들과 같이 접합하는 공정 없이 그대로 적층될 수 있으나, 경우에 따라서는 인터커넥터(100)들 각각과 용접(welding), 브레이징(brazing), 본딩(bonding), 볼팅(bolting) 또는 클램핑(clamping) 방식을 통해 우선 접합시킨 후, 연료 전지(10)들과 같이 적층될 수 있다. 또한, 집전판(200)들은 인터커넥터(100)들 각각과 일체형 구조로 형성될 수 있으며, 이 경우에는 집전판(200)과 인터커넥터(100)의 접촉 저항이 없기 때문에 집전판(200)들에 의한 집전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 이와 같은 집전판(200)들과 인터커넥터(100)들의 적층 방식은 이하의 도 6을 참조한 실시예에서도 동일하게 적용될 수 있다.
이에, 집전판(200)들은 인터커넥터(100)와 마찬가지로, 약 600 내지 1000℃의 고온에서 운전되는 연료 전지(10)에 견딜 수 있도록 Cr을 포함하는 금속 재질로 이루어지며, 예컨대 인터커넥터(100)와 동일한 SUS-Cr 재질로 이루어질 수 있다. 이럴 경우, 상기의 피독 물질인 Cr이 산화된 CrO2막이 집전판(200)의 표면에 형성됨으로써 전도성이 떨어지는 것을 방지하고자, 집전판(200)의 표면에도 별도의 제2 코팅막(210)이 형성될 수 있다. 제2 코팅막(210)을 실질적으로, 인터커넥터(100)에 형성된 제1 코팅막(130)과 동일한 재질로 이루어질 수 있다.
이러한 집전판(200)은 양면이 평탄한 금속 박판에 공기극층(14) 또는 연료극층(16)으로 공기 또는 연료 가스가 직접 접촉하도록 다수의 타공(220)들을 형성하여 제작된다. 이에, 집전판(200)은 양면이 평탄면으로 이루어진 것이 특징이다. 이때, 집전판(200)의 타공(220)들은 상기의 금속 박판을 마스크를 통한 에칭 공정으로 형성될 수도 있고, 별도의 장비로 직접 금속 박판을 펀칭하여 기계적으로 형성될 수도 있다. 이에, 집전판(200)의 두께(t), 즉 금속 박판의 두께는 스택 구조물(1000)의 전체 두께에 영향을 주는 약 2㎜를 초과하지 않도록 가능한 얇게 형성하는 것이 바람직하나, 약 0.1㎜ 미만일 경우에는 너무 얇아 타공(220)들을 형성 시 파손될 우려가 있으므로, 약 0.1 내지 2㎜를 갖는 것이 바람직하다.
이와 같이, 집전판(200)은 평탄한 양면에 의해서 인터커넥터(100)의 채널 형성부(120)들 및 연료 전지(10)의 공기극층(14) 또는 연료극층(16)과 면접촉함으로써, 상기 연료 전지(10)로부터 생성된 전기의 집전 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 집전판(200)은 한 장의 금속 박판으로 제작됨에 따라, 용접 방식 또는 납땜 방식 시 형성되는 접합 부위가 없기 때문에, 접촉 저항을 낮출 수 있어 전도성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 연료 전지(10)들이 다수 적층된 스택 구조물(1000)에서 상기의 면접촉에 의해 하중이 분산됨으로써, 배경기술에서와 같이 점접촉에 의한 하중 집중으로 상기 연료 전지(10)가 파손되는 것을 방지하여 물리적 안정성도 확보할 수 있다. 이에 대해서는, 배경기술에서 설명한 집전체을 포함하는 스택 구조물은 도 5a의 실험 사진에서와 같이 하중이 전달되는 응력 상태가 스트라이프 형태로 채널 형성부들의 위치에서만 국부적으로 나타나는데 반하여, 본 발명의 집전판(200)을 포함하는 스택 구조물(1000)은 도 5b에서와 같이 하중이 전달되는 응력 상태가 전체적으로 균일하게 분포되어 있음을 통해 확인할 수 있었다. 이때, 도 5a 및 도 5b에 도시된 실험 사진들은 약 0.3MPa 압력을 각각의 스택 구조물에 인위적으로 제공하여, 이에 따른 응력 분포를 나타낸 사진이다.
아울러, 집전판(200)의 표면이 평탄함에 따라 상기에서 설명한 제2 코팅막(210)도 표면에 균일하게 형성시킬 수 있음에 따라, 상기의 피독 물질에 의해 전도성이 떨어지는 것도 효율적으로 방지할 수 있다. 이때, 제2 코팅막(210)은 일 예로, 플라즈마 용사 코팅(Atmospheric Plasma Spray) 방식 또는 스크린 프린팅(Screen Printing) 방식에 의해 형성될 수 있다.
이하, 집전판(200)의 구조에 대해서 보다 상세하게 설명하면, 집전판(200)은 타공(220)들 사이에 위치한 리브(rib) 구조로 이루어진다. 이에, 연료 전지(10)는 인터커넥터(100)의 채널(110)들에서 공기 또는 연료 가스가 공기극층(14) 또는 연료극층(16)에 많이 접촉하는 것이 무엇보다 중요하기 때문에, 리브 구조의 집전판(200)은 인터커넥터(100)의 채널(110)들이 형성된 부분에 대응해서만 타공(220)들을 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 리브 구조를 갖는 집전판(200)의 폭은 채널 형성부(120)들과 전체적으로 면접촉하도록 채널 형성부(120)들 각각의 폭과 동일하거나 넓게 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 비교적 얇은 집전판(200)이 타공(220)들에 의해서 전체적인 형태가 변형되지 않도록 채널(110)들에 대응하여 형성된 타공(220)들 각각도 다수로 분할되도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 집전판(200)의 타공(220)들은 균일한 패턴을 갖도록 형성될 수 있다. 이에, 일 실시예에 따른 집전판(200)은 도 2a에서와 같이 이웃하는 제1 및 제2 열(R1, R2)들 각각에 따른 타공(220)들이 서로 어긋난 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 리브 구조의 집전판(200)은 채널 형성부(120)들과 전체적으로 전기적인 면접촉 상태를 유지하도록 제1 및 제2 열(R1, R2)들 방향과 인터커넥터(100)의 채널 형성부(120)들의 길이 방향이 서로 평행하게 배치되도록 형성하는 것이 바람직하다. 이러면, 리브 구조의 집전판(200)은 상기의 어긋난 타공(220)들의 형태에 의해 행 방향으로 비교적 균일한 강도를 갖도록 할 수 있으므로, 집전판(200) 자체가 스택 구조물(1000)의 하중에 의해 변형될 가능성도 더욱 배제할 수 있다. 이에 따라, 집전판(200)이 인터커넥터(100)의 채널 형성부(120)들과 연료 전지(10)의 공기극층(14) 또는 연료극층(16)에 전기적인 면접촉 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.
다른 실시예에 따른 집전판(200)의 타공(220)들은 도 2b에서와 같이 행과 열 방향으로 모두 균일한 격자 패턴을 갖도록 형성될 수 있다. 이러면, 도 2a에서 집전판(200)의 열 방향이 인터커넥터(100)의 채널 형성부(120)들의 길이 방향과 평행하게 배치시킬 필요 없이, 행과 열 중 어느 방향과 평행하게 배치하여도 전기적인 면접촉 상태를 안정하게 유지할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 집전판(200)의 타공(220)들은 도 2c에서와 같이 영역별로 서로 다른 모양 또는 크기로 균일하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 타공(220)들은 외부로부터 공급되는 공기 또는 연료 가스가 흐르는 방향(D)을 따라 일정 영역별로 크기가 커지도록 형성될 수 있다. 이러면, 공기 또는 연료 가스가 공급되는 부근에서는 타공(220)들이 상대적으로 작게 형성되어 상대적으로 높은 압력의 공기 또는 연료 가스가 공기극층(14) 또는 연료극층(16)에 원활하게 접촉하도록 하면서 상대적으로 넓은 접촉 면적의 집전판(200)을 통해 집전 효율을 향상시킬 수 있다. 반대로, 공기 또는 연료 가스가 배출되는 부근에서는 타공(220)들이 상대적으로 크게 형성되어 상대적으로 낮아진 압력의 공기 또는 연료 가스를 공기극층(14) 또는 연료극층(16)에 보다 넓은 면적에서 접촉시킴으로써, 이에 따른 접촉 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 타공(220)들 각각의 모양도 공기 또는 연료 가스가 흐르는 방향(D)을 따라 폭이 넓어지도록 형성하여 상기와 같은 유사한 효과를 기대할 수 있다. 이에 따라, 본 실시예의 타공(220)들은 공기 또는 연료 가스가 공급되는 방법에 따라 모양 또는 크기가 다양하게 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 집전판(200)의 타공(220)들 각각은 도 2d에서와 같이 모서리 부분이 라운드지게 형성될 수 있다. 이러면, 타공(220)들의 각진 모서리 부분에서 발생될 수 있는 와류 현상이 방지되어 공기 또는 연료 가스가 공기극층(14) 또는 연료극층(16)에 원활하게 접촉하도록 함으로써, 발전 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
상기의 실시예들에 의해서, 집전판(200)의 타공(220)들을 다양한 형태로 형성할 수 있음에 따라 집전판(200)과 연료 전지(10)의 공기극층(14) 또는 연료극층(16)에 면접촉하는 면적을 제어할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지(10)의 전기 화학적 반응 시 과도한 발열 반응이 일어날 경우, 집전판(200)의 면접촉 면적이 증가하도록 타공(220)들의 형태를 조절하여 상기의 과도한 열을 효율적으로 방열할 수 있으므로, 열적 안정성도 추가로 확보할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 스택 구조물(1000)은 적층되는 최상부 및 최하부 각각에 배치되어 연료 전지(10)들, 인터커넥터(100)들 및 집전판(200)들을 외부로부터 보호하면서 전체적인 강도를 제공하는 상부 케이스(400) 및 하부 케이스(500)를 더 포함할 수 있다.
상부 케이스(400)에는 연료 전지(10)의 공기극층(14) 및 연료극층(16) 각각에 공기 및 연료 가스를 공급하기 위하여 외부의 공기공급장치(미도시) 및 연료가스공급장치(미도시)와 연결되는 제1 및 제2 연결 소켓(410, 420)들이 형성될 수 있다. 이러한 제1 및 제2 연결 소켓(410, 420)들은 연료 전지(10)의 공기극층(14) 및 연료극층(16) 각각에 공기 또는 연료 가스를 독립적으로 공급하기 위하여 서로 수직한 측부들에 형성될 수 있다. 이에, 인터커넥터(100)에도 제1 및 제2 연결 소켓(410, 420)들 각각으로부터 공급되는 공기 또는 연료 가스가 서로 독립적으로 공급 및 배출되도록 서로 수직한 측부들 각각에 제1 및 제2 연결 소켓(410, 420)들 각각과 연통되는 공기 홀(140) 및 연료 홀(150)들이 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 제1 및 제2 연결 소켓(410, 420)들이 상부 케이스(400)에 형성된 것으로 설명하였지만, 하부 케이스(500)의 동일한 위치에 형성되어 상기의 기능을 충분히 수행할 수 있다.
도 6은 도 1의 에 도시된 Ⅰ-Ⅰ＇선을 따라 절단하여 일부분을 다른 실시예에 따라 구체적으로 나타낸 도면이다.
본 실시예에서, 스택 구조물은 공기 또는 연료 가스를 공기극층 또는 연료극층에 직접 접촉시키기 위한 채널들을 형성하는 구조를 제외하고는 도 1 내지 도 4에 도시된 구조와 동일하므로, 중복되는 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스택 구조물(1100)은 연료 전지(20)들 사이에서 공기극층(24) 또는 연료극층(26)과 인터커넥터(600) 사이에서 이들과 면접촉하면서 공기극층(24) 또는 연료극층(26)에 공기 또는 연료 가스를 직접 접촉하도록 채널(710)들을 형성하기 위하여 격벽 역할을 하는 채널 형성부(720)들을 갖는 집전판(700)을 포함한다.
이에, 집전판(700)이 도 2a 또는 도 2b에서와 같은 형태를 가질 경우, 채널 형성부(720)들은 열 또는 행 방향을 따라 길게 형성된 리브 부분에서 돌출되도록 형성되고, 반대로 상기의 리브 부분과 수직한 다른 리브 부분은 상대적으로 낮게 형성되어 공기 또는 연료 가스가 원활하게 흐를 수 있도록 한다. 이러한 구조는 실질적으로 3차원 구조를 가지며, 이 경우 상기의 다른 리브 부분은 공기 또는 연료 가스의 흐름을 더욱 원활하게 유도하기 위하여 집전판(700)의 전체적인 형태 유지가 가능한 상태에서 매우 얇게 형성하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 집전판(700)은 인터커넥터(600)보다 통상적으로 얇은 두께로 제작되므로, 이에 스택 구조물(1100)에 가해지는 하중에 따른 강도를 보강하기 위해서 채널 형성부(720)들은 인터커넥터(600) 방향으로 폭이 좁아지는 쐐기 형상을 가질 수 있다. 이와 반대로, 집전판(700)의 채널 형성부(720)들을 인터커넥터(600) 방향으로 폭이 넓어지도록 형성하여 인터커넥터(600)와의 접촉 면적을 증가시킴으로써, 집전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 이러한 채널 형성부(720)들 구조는 도 3에 도시된 실시예에 따른 인터커넥터(600)의 채널 형성부(720)들에도 적용하여 동일한 효과를 기대할 수 있다.
이와 같이, 집전판(700)에 도 3에 도시된 실시예에서 인터커넥터(도 3의 100)에 형성된 채널 형성부(도 3의 120)들을 대신하여 동일한 구조의 채널 형성부(720)들을 3차원 구조로 형성함으로써, 인터커넥터(600)의 구조를 간소화시켜 이에 따른 제작을 용이하게 할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 스택 구조물(1000, 1100)은 전해질로써 세라믹을 사용하는 고체산화물 연료 전지(SOFC)에 적용되는 것을 설명하였지만, 전력량을 증가시키기 위해 스택 구조를 가질 수 있는 다른 용융탄산염 연료 전지(MCFC), 인산형 연료 전지(PAFC) 또는 고분자형 연료 전지(PEFC)에도 적용될 수 있음을 이해할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 다수의 연료 전지들이 적층되는 스택 구조물에 있어서, 연료 전지들로부터 생성된 전기를 집전하는 집전판을 연료 전지들 및 인터커넥터들과 면접촉하도록 평탄하게 제작함으로써, 연료 전지용 스택 구조물의 집전 효율을 향상시키는데 이용될 수 있다. 또한, 면접촉하는 집전판을 통해서 스택 구조물의 하중이 분산됨으로써, 이에 따른 스택 구조물의 물리적 안정성을 확보하는데에도 이용될 수 있다.
10, 20 : 연료 전지 12, 22 : 전해질층
14, 24 : 공기극층 16, 26 : 연료극층
100, 600 : 인터커넥터 110, 710 : 채널
120, 720 : 채널 형성부 130 : 제1 코팅막
200, 700 : 집전판 210 : 제2 코팅막
220 : 타공 1000, 1100 : 스택 구조물

Claims (12)

  1. 전해질층과, 상기 전해질층의 양면들 각각에 공기극층 및 연료극층을 포함하여 전기를 생성하는 연료 전지에서 상기 공기극층 또는 상기 연료극층에 전기적으로 면접촉하는 평탄면과,
    상기 공기극층 또는 상기 연료극층 각각에 공기 또는 연료 가스가 직접 접촉하도록 타공된 다수의 타공들을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 집전판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공기 또는 연료 가스를 흘려주는 채널을 형성하기 위한 채널 형성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 집전판.
  3. 제1항에 있어서, 표면에 코팅막이 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 집전판.
  4. 제1항에 있어서, 상기 타공들은 동일한 모양 또는 크기로 균일하게 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 집전판.
  5. 제1항에 있어서, 이웃하는 행 또는 열에 따른 상기 타공들은 서로 어긋난 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 집전판.
  6. 제1항에 있어서, 상기 타공들은 영역별로 서로 다른 모양 또는 크기로 균일하게 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 집전판.
  7. 제1항에 있어서, 상기 타공들은 각가 모서리 부분이 라운드지게 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 집전판.
  8. 제1항에 있어서, 0.1 내지 2㎜의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 집전판.
  9. 전해질층과, 상기 전해질층의 양면들 각각에 공기극층 및 연료극층을 포함하여 전기를 생성하는 연료 전지가 다수 적층되는 스택 구조물에 있어서,
    상기 다수의 연료 전지들 사이에서 각 연료 전지를 지지하면서 전기적으로 연결되는 인터커넥터; 및
    상기 인터커넥터와 상기 연료 전지의 공기극층 또는 연료극층 사이에서 전기적으로 면접촉하는 평탄면과, 상기 공기극층 또는 상기 연료극층 각각에 공기 및 연료 가스가 직접 접촉하도록 타공된 다수의 타공들을 갖는 집전판을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 구조물.
  10. 제9항에 있어서, 상기 접전판은 상기 공기 또는 연료 가스를 균일하게 흘려줄 수 있는 다수의 채널들을 형성하면서 인터커넥터와 면접촉하는 채널 형성부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 구조물.
  11. 제10항에 있어서, 상기 집전판은 상기 인터커넥터와 일체형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 구조물.
  12. 제9항에 있어서, 상기 인터커넥터는 상기 공기 또는 연료 가스를 균일하게 흘려줄 수 있는 다수의 채널들을 형성하면서 상기 집전판과 접촉하는 채널 형성부들을 포함하며,
    상기 집전판의 평탄면은 각 채널 형성부의 폭과 동일하거나 넓게 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 구조물.
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