KR20160007830A - 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법 - Google Patents

스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 제작방법은, 기판 상에 입체 구조의 마스크를 제작하는 단계; 상기 기판에 연료극, 전해질 및 공기극을 순차 형성하여 입체 단전지를 제작하는 단계; 상기 단전지에서 상기 기판과 상기 마스크를 제거하는 단계; 및 상기 단전지와 평판형 연결판을 순차 적층시켜 스택을 제작하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면 고체산화물 연료전지의 단전지와 연결판 구조를 개선하여 동일한 부피에서 반응 면적이 향상된 스택을 구현 가능하고, 동일 부피 대비 성능 향상은 물론 열관리 측면에서도 이점이 예상되는 효과가 있다.

Description

스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법 {SOLID STRUCTURE SOLID OXIDE FUEL CELL FOR STACK VOLUME MINIMUM POSSIBLE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)의 제조 과정에서 단전지를 입체적으로 제작한 후, 이에 개입되는 분리판의 부피를 줄여 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기를 생산한다. 수소(연료)와 산소(공기)를 지속적으로 공급함으로써 지속적인 전기 생산이 가능하며, 전기화학반응을 통해 공급된 연료와 공기의 잠재 에너지를 직접 전기에너지로 변환시켜 준다.
이러한 연료전지는 연료가 공급되고 산화반응이 발생하는 산화전극(anode)와 공기가 공급되고 환원반응이 발생하는 환원전극(cathode), 그리고 산화, 환원반응을 통해 발생된 이온의 이동을 위한 전해질(electrolyte)로 구성된 막-전극 접합체(Membrane Electrodes Assembly; MEA)가 사용된다. 이러한 막-전극 접합체의 산화극과 환원극을 전도성 물질로 연결하여 하나의 단전지(셀, Cell)이 만들어진다.
상기에서 상술된 연료전지는 신재생 에너지로서 다양하게 연구되고 있다. 이 중 대표적으로 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC)를 들 수 있다. 고체 산화물 연료전지는 45~60%로 높은 에너지 변환효율과 고온의 작동 온도로 인해 높은 출력을 낼 수 있고 프로판가스, 천연가스 등의 탄화수소계열 연료를 개질기 없이 자유롭게 사용할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 이러한 이유로 고체 산화물 연료전지는 폐열을 이용한 열병합발전, 가정용 발전 시스템, 군사용 장비 등 여러 분야에서 사용되고 있다.
한편, 고온(800~1000℃)의 작동온도는 열응력으로 인한 내구성 문제, 높은 온도에서 견딜 수 있는 물질 선택의 문제, 단열의 문제 등을 안고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 중저온(400~600℃)에서 고체 산화물 연료전지를 작동시키려는 연구가 진행되고 있다.
이러한 고체산화물 연료전지와 관련된 기술이 특허등록 제0538555호에 제안된 바 있다.
이하에서 종래기술로서 특허등록 제0538555호에 개시된 연료극 지지체식 평관형 고체산화물 연료전지 스택과 그 제조 방법을 간략히 설명한다.
도 1은 특허등록 제0538555호(이하 '종래기술'이라 함)에서 연료전지와 접속판의 적층 구조도이다. 도 1에서 보는 바와 같이 종래기술의 연료극 지지체식 평관형 고체산화물 연료전지 스택은, 연료극 지지체관을 사용한 다수의 단위 연료전지와 이들을 적층 연결시키기 위한 접속판을 포함하여 구성된 고체산화물연료전지 스택에 있어서, 서로 평행한 상·하 한 쌍의 상·하판(11A)(11B)과, 상·하판(11A)(11B)의 동일측 각 폭 방향 양 단부를 연결하는 반원호상의 측판(11C)과, 상기 하판(11B)의 상면으로부터 직립 형성되어 상판(11A)의 저면에 직각으로 만나 일체화 되는 적어도 두 개 이상의 브리지(B)로 이루어진 지지체관(11)과; 지지체관(11)의 평탄한 상면(11A) 중앙부를 길이 방향으로 가로질러 피복 형성된 사각 단면의 연결재(13)와; 상기 연결재(13)를 제외한 지지체관(11)의 외주면에 피복 형성된 전해질층(12)과; 양 선단면이 상기 연결재(13)의 폭 방향 양 측면과 일정한 거리(d)만큼 이격된 상태로 상기 전해질층(12)의 외주면에 피복 형성된 공기극(14)으로 구성된 연료전지(1)와: 양의 스택 전극(3)과 접속되는 평탄한 저면을 가지며 연료전지의 1/2 이하 높이에 해당하는 외주면과 형합하는 다수의 요홈(G)이 상면을 가로질러 평행하게 형성된 하부 접속판(21)과; 연료전지의 1/2 이하 높이에 해당하는 외주면과 형합하는 다수의 요홈(G)이 상면을 가로질러 평행하게 형성되며 이 요홈(G)과 직교하도록 상면을 가로질러 형성되는 상호 평행한 상향 개방형의 사각 단면을 갖는 다수의 가스 채널(C)이 형성되고, 각 요홈(G)의 폭 방향 중앙부에 대응하는 저면에 연료전지의 연결재(13) 상면과 밀착되는 사작 단면의 접속돌기(E)가 하향 돌출하여 형성된 적어도 1장 이상의 중간 접속판(22)과; 음의 스택 전극(3')과 접속되는 평탄한 상면을 가지며 중간 접속판(22)에 형성된 각 요홈(G)의 폭 방향 중앙부에 대응하는 저면에 연료전지의 연결재(13) 상면과 밀착되는 사작 단면의 접속돌기(E)가 하향 돌출하여 형성된 상부 접속판(23)으로 구성된 접속판(2)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
그러나 종래기술에 의한 연료극 지지체식 평관형 고체산화물 연료전지 스택은 중간 접속판(22)과 상부 접속판(23) 및 하부 접속판(21)이 두께가 두꺼워 스택 부피가 커지는 문제점이 있었다.
더욱이, 기존 종래기술로, 도면에는 도시하지 않았지만, 고체산화물 연료전지 시스템은 단전지를 층층이 쌓은 스택 구조로 이루어져 있는데, 이때 단전지 사이에는 연료와 공기의 분리 공급, 단전지 간의 전기적 연결을 담당하는 연결판이 삽입된다. 하지만 연결판은 연료전지 스택 대부분의 부피를 차지하기 때문에 연료전지 스택 부피 활용을 극대화하기 위해서는 단전지와 연결판 구조에 관한 개선이 필요하다.
KR 0538555 B1
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고체산화물 연료전지의 단전지를 입체 구조로 제작한 후 단전지의 사이에 개입시키는 연결판을 얇은 평판으로 제작하여 스택 부피 활용을 극대화할 수 있게 한 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 제조방법은, 기판 상에 입체 구조의 마스크를 제작하는 단계; 상기 기판에 연료극, 전해질 및 공기극을 순차 형성하여 입체 단전지를 제작하는 단계; 상기 단전지에서 상기 기판과 상기 마스크를 제거하는 단계; 및 상기 단전지와 평판형 연결판을 순차 적층시켜 스택을 제작하는 단계를 포함하는 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 제작방법을 통해 달성된다.
또한, 본 발명에서는 상기 입체 단전지 제작 단계에서 상기 연료극, 전해질 및 공기극 형성시 스퍼터링(sputtering), 펄스 레이저 증착(Pulsed Laser Deposition), 원자막 증착(Atomic Layer Deposition), 증발법(Evaporation)을 포함하는 박막 공법 또는 스크린 프린팅(Screen Printing) 방식으로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 마스크 제작 단계에서 상기 마스크는 사각형 기둥, 삼각형 기둥 및 반원 기둥 중 어느 하나의 형상이 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 기판 및 마스크 제거 단계에서 상기 기판 제거는 습식 에칭 또는 건식 에칭에 의해 실시되고, 상기 마스크 제거는 자외선(UV)에 의해 실시될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지는, 요철 형태로 제작된 마스크 상에 연료극, 전해질 및 공기극을 순차 형성한 입체 단전지; 및 상기 입체 단전지의 사이마다 개입되는 평판형 연결판을 포함하는 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지를 통해 달성된다.
또한, 본 발명에서의 상기 입체 단전지는 사각형 기둥, 삼각형 기둥 및 반원 기둥 중 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면 고체산화물 연료전지의 단전지와 연결판 구조를 개선하여 동일한 부피에서 반응 면적이 향상된 스택을 구현 가능하고, 동일 부피 대비 성능 향상은 물론 열관리 측면에서도 이점이 예상되는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 연료전지와 접속판의 적층 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 제조방법을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지에서 입체 단전지의 구현 가능한 형상을 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지의 스택 구성 및 연료, 공기의 흐름을 나타낸 사시도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 일실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 일실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 제조방법이 블록도로 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 제조방법이 공정도로 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 일실시예에 따른 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지에서 입체 단전지의 구현 가능한 형상이 측면도로 도시되어 있으며, 도 5에는 본 발명의 일실시예에 따른 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지의 스택 구성 및 연료, 공기의 흐름이 사시도로 나타나 있다.
이들 도면에 의하면, 본 발명의 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 제조방법은 입체 구조 마스크 제작 단계(S100), 입체 단전지 제작 단계(S110), 기판 및 마스크 제거 단계(S120) 및 스택 제작 단계(S130)를 포함한다.
입체 구조 마스크 제작 단계(S100)는 준비된 기판(110)상에 입체 구조의 마스크(120)를 제작하는 단계로, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 공정을 통해 기판(110)상에 요철을 만드는 단계이다.
이때, 상기 입체 구조 마스크 제작 단계(S100)는 마스크(120)를 사각형 기둥, 삼각형 기둥 등을 포함하는 다각형 기둥 또는 반원 기둥 등의 형상으로 형성하므로 그에 따라 대응되는 형상으로 단전지(130)가 제작된다.
입체 단전지 제작 단계(S110)는 기판(110)상에 마스크(120)를 형성한 구조체에 연료극, 전해질 및 공기극을 순차 형성하여 입체 단전지(130)를 제작하는 단계이다.
즉, 상기 입체 단전지 제작 단계(S110)는 기판(110) 상에 형성된 입체 마스크(120)인 요철을 통해 입체화된 기판(110)에 연료극, 전해질 및 공기극을 차례대로 제작하여 입체 단전지(130)를 제작하는 것이다.
이때, 상기 입체 단전지 제작 단계(S110)는 스퍼터링(sputtering), 펄스 레이저 증착(Pulsed Laser Deposition), 원자막 증착(Atomic Layer Deposition), 증발법(Evaporation) 등의 박막 공법 또는 스크린 프린팅(Screen Printing) 등의 일반적인 고체산화물 연료전지 제작 공법이 적용될 수 있다.
기판 및 마스크 제거 단계(S120)는 단전지(130)에서 기판(110)과 마스크(120)로 구성된 구조체를 제거하는 단계이다.
이때, 상기 기판 및 마스크 제거 단계(S120)는에서 기판(110)은 습식 에칭 또는 건식 에칭이 모두 이용될 수 있으며, 마스크(120) 제거의 경우 마스크 재료에 따라 자외선(UV) 등이 이용될 수 있다.
스택 제작 단계(S130)는 단전지(130)와 평판형 연결판(140)을 순차 적층시켜 스택(100)을 제작하는 단계이다.
이렇게 제작된 스택은 상기 단전지(130)의 사이마다 평판형 연결판(140)을 개입시킨 상태에서 상측의 단전지(130)에 공기를 공급하고, 하측의 단전지(130)에 연료를 공급하면서 전기를 생산할 수 있으며, 입체 형상의 단전지(130)를 통해 연료전지의 반응 면적이 증가 가능하고, 연결판(140)의 부피는 줄어들어 동일한 부피 대비 월등한 성능을 나타냄을 알 수 있다. (도 5 참조)
본 발명의 일실시예에 의한 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지는 단전지(130) 및 평판형 연결판(140)을 포함하여 구성된다.
단전지(130)는 요철 형태로 제작된 마스크(120) 상에 연료극, 전해질 및 공기극을 순차 적층 형성하여 입체 형태로 구성된다. 이때, 상기 마스크(120)는 MEMS 공정을 통해 기판(110)상에 형성되되, 사각형 기둥, 삼각형 기둥 등을 포함하는 다각형 기둥 또는 반원 기둥 등의 형상으로 형성되므로 그에 따라 대응되는 형상으로 단전지(130)가 형성된다.
한편, 상기 단전지(130)는 스퍼터링(sputtering), 펄스 레이저 증착(Pulsed Laser Deposition), 원자막 증착(Atomic Layer Deposition), 증발법(Evaporation) 등의 박막 공법 또는 스크린 프린팅(Screen Printing) 등의 일반적인 고체산화물 연료전지 제작 공법으로 제작된다.
평판형 연결판(140)은 입체 단전지(130)의 사이마다 개입되어 부피는 감소시키게 된다.
그러므로 본 발명에 따른 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지는 스택 제작시 단전지(130)의 사이마다 평판형 연결판(140)을 개입시킨 상태에서 상측의 단전지(130)에 공기를 공급하고, 하측의 단전지(130)에 연료를 공급하면서 전기를 생산할 수 있으며, 입체 형상의 단전지(130)를 통해 연료전지의 반응 면적이 증가 가능하고, 연결판(140)의 부피는 줄어들어 동일한 부피 대비 월등한 성능을 나타내는 이점이 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 스택
110: 기판
120: 마스크
130: 단전지
140: 연결판

Claims (6)

  1. 기판 상에 입체 구조의 마스크를 제작하는 단계;
    상기 기판에 연료극, 전해질 및 공기극을 순차 형성하여 입체 단전지를 제작하는 단계;
    상기 단전지에서 상기 기판과 상기 마스크를 제거하는 단계; 및
    상기 단전지와 평판형 연결판을 순차 적층시켜 스택을 제작하는 단계를 포함하는 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 제작방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입체 단전지 제작 단계에서 상기 연료극, 전해질 및 공기극 형성시 스퍼터링(sputtering), 펄스 레이저 증착(Pulsed Laser Deposition), 원자막 증착(Atomic Layer Deposition), 증발법(Evaporation)을 포함하는 박막 공법 또는 스크린 프린팅(Screen Printing) 방식으로 구현되는 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 제작방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마스크 제작 단계에서 상기 마스크는 사각형 기둥, 삼각형 기둥 및 반원 기둥 중 어느 하나의 형상이 적용되는 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 제작방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판 및 마스크 제거 단계에서 상기 기판 제거는 습식 에칭 또는 건식 에칭에 의해 실시되고, 상기 마스크 제거는 자외선(UV)에 의해 실시되는 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지 제작방법.
  5. 요철 형태로 제작된 마스크 상에 연료극, 전해질 및 공기극을 순차 형성한 입체 단전지; 및
    상기 입체 단전지의 사이마다 개입되는 평판형 연결판을 포함하는 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 입체 단전지는 사각형 기둥, 삼각형 기둥 및 반원 기둥 중 어느 하나의 형상으로 형성되는 스택 부피의 최소화가 가능한 입체 구조 고체산화물 연료전지.
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