KR20240076488A - 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택 - Google Patents
십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, 소정의 두께를 가지면서, 가로 방향 및 세로 방향으로 연장되게 형성되는 베이스플레이트; 및 상기 베이스플레이트 상에 형성되는 복수개의 단위성형부;를 포함하고, 상기 단위성형부는, 상기 베이스플레이트에서 일정 높이만큼 돌출되는 형태로 형성되는 바닥부; 상기 바닥부의 가로 방향 일측과 상기 베이스플레이트를 연결하는 형태로 형성되는 제1연결체와, 상기 바닥부의 가로 방향 타측과 상기 베이스플레이트를 연결하는 형태로 형성되는 제2연결체와, 상기 바닥부의 세로 방향 일측과 상기 베이스플레이트를 연결하는 형태로 형성되는 제3연결체와, 상기 바닥부의 세로 방향 타측과 상기 베이스플레이트를 연결하는 형태로 형성되는 제4연결체를 포함하는 연결부; 및 상기 베이스플레이트를 두께 방향으로 관통하는 형태로 상기 제1연결부와 상기 제3연결부 사이에 형성되는 제1유통홀과, 상기 베이스플레이트를 두께 방향으로 관통하는 형태로 상기 제2연결부와 상기 제3연결부 사이에 형성되는 제2유통홀과, 상기 베이스플레이트를 두께 방향으로 관통하는 형태로 상기 제2연결부와 상기 제4연결부 사이에 형성되는 제3유통홀과, 상기 베이스플레이트를 두께 방향으로 관통하는 형태로 상기 제1연결부와 상기 제4연결부 사이에 형성되는 제4유통홀을 포함하는 개구부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 상기 집전체의 제조방법 및 상기 집전체를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 상기 집전체의 제조방법 및 상기 집전체를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.
Description
본 발명은 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체와, 이를 제조하는 방법 및 십자형 성형부를 갖는 집전체를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지로 정의되며, 산화물 전해질을 통해 공기(예를 들어, 산소)와 기상 연료(예를 들어, 수소)를 전기화학적으로 반응시킴으로써, 직류 전기를 생산하는 에너지 전환 장치로써, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 특징을 갖는다.
연료전지의 종류로는 고온에서 작동하는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 및 비교적 낮은 온도에서 작동하는 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC), 고분자전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cells, DEMFC) 등이 있다.
그 중, 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell; SOFC)은 연료극, 공기극 및 전해질막으로 이루어진 단위전지를 포함하며, 1개의 단위전지가 생산하는 전기에너지의 양은 매우 제한적이기 때문에 연료전지를 발전에 활용하기 위해서는 단위전지를 여러 개 쌓아 놓은 형태인 스택 구조의 형성이 불가피하다.
스택 구조를 이루는 각각의 단위전지를 연결할 때, 연료극과 공기극을 전기적으로 연결하면서 연료 또는 공기가 흐르는 유로를 제공하기 위하여 각각의 단위전지 사이에 분리판을 설치하게 된다.
한편, 연료극, 공기극 및 전해질 모두 세라믹 물질로 이루어지고, 이들을 적층시킨 후 고온에서 소성시켜 한 장의 셀(cell)로 제조하게 되므로, 셀의 표면이 평탄하지 못하고 필연적으로 일정 수준의 표면조도를 갖게 되며, 분리판을 형성함에 있어서 연료극 또는 공기극이 평탄하지 못함에 따라 분리판 유로 간의 높이 공차가 필연적으로 발생한다.
따라서, 일반적으로 연료극과 분리판, 공기극과 분리판 사이에 집전체(current collector)를 더 구비하여, 각 전극과 분리판이 전기적으로 보다 균일하게 접촉할 수 있도록 돕는다.
이와 관련하여, 종래에는 집전체로서 금속 메시(mesh)를 이용하고 있었는데 집전체로서 금속 메시를 이용할 경우, 각 전극과 집전체 간의 접촉면적이 70% 이하로 매우 작아 연료전지의 성능 지표에 영향을 주는 면적비저항(Area Specific Resistance, ASR)이 증가하며, 결과적으로 연료전지의 성능이 감소하게 되는 문제점이 있다.
한편, 집전체로서 다공성의 금속 물질로 이루어진 금속 폼(form)이 사용되기도 하나, 집전체로서 금속 폼을 이용할 경우, 고온의 SOFC 작동환경에서 금속 폼을 구성하는 다공성의 금속 물질이 급격히 산화되어 산화물로 변형되기 때문에 그 형태에 변형이 일어나 기계적 강도를 잃어버릴 뿐만 아니라, 분리판의 공차나 각 전극의 표면조도를 흡수할 수 없어 집전 성능이 떨어지게 된다는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 전술한 배경에서 안출된 것으로, 단위셀 전극과의 접촉 면적을 증대시켜 면적비저항을 감소시킨 고체산화물 연료전지용 집전체를 제공하는데 그 목적이 있다.
개구부를 포함하는 단위성형부를 십자형 형태로 구성하여, 높이 방향 하중에 저항하는 강도를 향상시킨 고체산화물 연료전지용 집전체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예는, 소정의 두께를 가지면서, 가로 방향 및 세로 방향으로 연장되게 형성되는 베이스플레이트; 및 상기 베이스플레이트 상에 형성되는 복수개의 단위성형부;를 포함하고, 상기 단위성형부는, 상기 베이스플레이트에서 일정 높이만큼 돌출되는 형태로 형성되는 바닥부; 상기 바닥부의 가로 방향 일측과 상기 베이스플레이트를 연결하는 형태로 형성되는 제1연결체와, 상기 바닥부의 가로 방향 타측과 상기 베이스플레이트를 연결하는 형태로 형성되는 제2연결체와, 상기 바닥부의 세로 방향 일측과 상기 베이스플레이트를 연결하는 형태로 형성되는 제3연결체와, 상기 바닥부의 세로 방향 타측과 상기 베이스플레이트를 연결하는 형태로 형성되는 제4연결체를 포함하는 연결부; 및 상기 베이스플레이트를 두께 방향으로 관통하는 형태로 상기 제1연결부와 상기 제3연결부 사이에 형성되는 제1유통홀과, 상기 베이스플레이트를 두께 방향으로 관통하는 형태로 상기 제2연결부와 상기 제3연결부 사이에 형성되는 제2유통홀과, 상기 베이스플레이트를 두께 방향으로 관통하는 형태로 상기 제2연결부와 상기 제4연결부 사이에 형성되는 제3유통홀과, 상기 베이스플레이트를 두께 방향으로 관통하는 형태로 상기 제1연결부와 상기 제4연결부 사이에 형성되는 제4유통홀을 포함하는 개구부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체를 제공한다.
또한, 상기 제1연결체, 상기 제2연결체, 상기 제3연결체 및 상기 제4연결체 각각이 상기 바닥부와 이루는 각도는 모두 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체를 제공한다.
또한, 상기 바닥부는 사각형 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체를 제공한다.
또한, 상기 복수개의 단위성형부는, 상기 베이스플레이트 상에 격자 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체를 제공한다.
또한, 공기극, 연료극 및 상기 공기극과 상기 연료극 사이에 배치되는 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly) 형태의 단위셀; 상기 단위셀의 일측에 배치되고, 유체 유동용 유로를 포함하는 분리판; 및 상기 단위셀과 상기 분리판 사이에 배치되는 집전체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택을 제공한다.
또한, 상기 집전체는, 상기 복수개의 단위성형부가 상기 단위셀에 대향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택을 제공한다.
또한, 베이스플레이트를 피어싱 가공하여, 상기 베이스플레이트 상에, 격자 형태로 배치되는 제1관통홀, 제2관통홀, 제3관통홀 및 제4관통홀을 포함하는 피어싱부를 복수개 형성시키는 피어싱단계; 및 상기 베이스플레이트 상의 각 영역 중, 상기 제1관통홀, 상기 제2관통홀, 상기 제3관통홀 및 상기 제4관통홀로 둘러싸인 영역을 스탬핑 가공 영역으로 설정하고, 각각의 스탬핑 가공 영역을 스탬핑 가공하여 상기 베이스플레이트 상에 상기 베이스플레이트에서 일정 높이만큼 돌출된 단위성형부를 복수개 형성시키는 포밍단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 제1관통홀, 상기 제2관통홀, 상기 제3관통홀 및 상기 제4관통홀 각각은 사각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 복수개의 피어싱부는, 격자 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 스탬핑 가공 영역은 사각형인 것을 특징으로 하는 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 단위셀 전극과의 접촉 면적이 증대되어 면적비저항이 감소된 고체산화물 연료전지용 집전체를 얻을 수 있다.
또한 개구부를 포함하는 단위성형부가 십자형 형태로 구성되어, 높이 방향 하중에 저항하는 강도가 향상된 고체산화물 연료전지용 집전체를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체 일측의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체 타측의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 베이스플레이트 상에 형성된 단위성형부의 일측을 상세하게 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 베이스플레이트 상에 형성된 단위성형부의 타측을 상세하게 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체의 평면도 및 평면도 X-X부분의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 베이스플레이트 상에 형성된 복수개의 단위성형부의 배열을 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 단위성형부의 바닥부와 연결체가 이루는 각도를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 집전체에 작용하는 하중에 대해, 단위성형부의 바닥부와 연결체가 이루는 각도와 집전체의 높이 방향 변형량 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체 제조방법의 순서도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 베이스플레이트 상에 형성된 피어싱부(관통홀이 사각형) 및 스탬핑 가공 영역을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 베이스플레이트 상에 형성된 피어싱부(관통홀이 원형) 및 스탬핑 가공 영역을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 단위성형부가 형성된 베이스플레이트의 높이를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 스택의 각 구성을 나타내는 분해도이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 스택의 각 구성을 나타내는 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체 타측의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 베이스플레이트 상에 형성된 단위성형부의 일측을 상세하게 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 베이스플레이트 상에 형성된 단위성형부의 타측을 상세하게 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체의 평면도 및 평면도 X-X부분의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 베이스플레이트 상에 형성된 복수개의 단위성형부의 배열을 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 단위성형부의 바닥부와 연결체가 이루는 각도를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 집전체에 작용하는 하중에 대해, 단위성형부의 바닥부와 연결체가 이루는 각도와 집전체의 높이 방향 변형량 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체 제조방법의 순서도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 베이스플레이트 상에 형성된 피어싱부(관통홀이 사각형) 및 스탬핑 가공 영역을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 베이스플레이트 상에 형성된 피어싱부(관통홀이 원형) 및 스탬핑 가공 영역을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 단위성형부가 형성된 베이스플레이트의 높이를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 스택의 각 구성을 나타내는 분해도이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 스택의 각 구성을 나타내는 측면도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 도 1 내지 도 14를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체(10)와, 집전체(10)의 제조방법 및 집전체(10)를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 고체산화물 연료전지용 집전체(10)는 연료전지 스택에 구비되어 연료전지 스택의 단전지(single cell)로부터 발생하는 전기를 집전하도록 구비되며, 도 1 및 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 집전체(10)는 베이스플레이트(100) 및 베이스플레이트 상에 형성되는 복수개의 단위성형부(200)를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 베이스플레이트(100)는 제1베이스면(101) 및 반대방향의 제2베이스면(102)을 갖는 판상형 부재로 구비될 수 있으며, 이때 베이스플레이트(100)는 두께가 0.02mm~0.1mm로 형성될 수 있고, 또한 베이스플레이트(100)는 전기전도성을 갖는 금속 재질의 부재로 구비될 수 있다.
여기서, 베이스플레이트(100) 상에는, 베이스플레이트(100)의 제2베이스면(102)에서 제1베이스면(101) 방향으로 돌출되는 형태로 형성되는 복수개의 단위성형부(200)가 구비된다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 단위성형부(200)는 바닥부(210), 연결부(230) 및 개구부(250)를 포함할 수 있으며, 또한 각각의 단위성형부(200)는 전체적으로 십자형 형태를 갖도록 형성될 수 있다.
먼저, 단위성형부(200)의 바닥부(210)는 베이스플레이트(100)에서 일정 높이만큼 돌출되는 형태로 형성될 수 있으며, 바닥부(210)는 일예로 제1바닥면(211) 및 반대방향의 제2바닥면(212)을 갖는 사각형 형태로 형성될 수 있다.
즉, 바닥부(210)는 가로 길이 및 세로 길이가 동일한 정사각형 형태 또는 가로 길이 및 세로 길이가 서로 다른 직사각형 형태로 형성될 수 있다.
여기서, 바닥부(210)는 두께가 베이스플레이트(100)와 동일하게 0.02mm~0.1mm로 형성될 수 있으며, 도 6에 도시된 바와 같은 가로 길이(a1) 및 세로 길이(a2)는 각각 0.4mm~1.2mm로 형성될 수 있다.
이와 같이 단위성형부(200)의 바닥부(210)를 사각형 형태로 형성하는 경우, 금속 메쉬(mesh) 또는 금속 폼(form) 형태와 같은 종래 집전체들 대비, 집전체(10)의 단위성형부(200)가 단위셀(20)의 전극(공기극 또는 연료극)에 접촉하는 면적(도 3의 제1바닥면(211)이 전극에 접촉)이 증대되기 때문에 집전체(10)와 전극 사이의 면적비저항을 크게 감소시킬 수 있게 된다.
이어서, 단위성형부(200)의 연결부(230)는 단위성형부(200)의 바닥부(210)와 베이스플레이트(100)를 연결하는 형태로 형성되는 제1연결체(231), 제2연결체(232), 제3연결체(233) 및 제4연결체(234)를 포함할 수 있다.
이때, 제1연결체(231)는 바닥부(210)의 가로 방향 일측과 베이스플레이트(100)를 연결하는 형태로 형성되고, 제2연결체(232)는 바닥부의 가로 방향 타측과 베이스플레이트(100)를 연결하는 형태로 형성될 수 있다.
또한, 제3연결체(233)는 바닥부(210)의 세로 방향 일측과 베이스플레이트(100)를 연결하는 형태로 형성되고, 제4연결체(234)는 바닥부의 세로 방향 타측과 상기 베이스플레이트(100)를 연결하는 형태로 형성될 수 있다.
제1연결체(231), 제2연결체(232), 제3연결체(233) 및 제4연결체(234) 각각은 일예로 사각형 형태로 형성될 수 있으며, 이때 도 6에 도시된 바와 같이 제1연결체(231), 제2연결체(232), 제3연결체(233) 및 제4연결체(234) 각각의 폭은 바닥부(210)의 가로 길이(a1) 또는 세로 길이(a2)와 동일하게 형성될 수 있다.
한편, 제1연결체(231), 제2연결체(232), 제3연결체(233) 및 제4연결체(234) 각각의 두께는 베이스플레이트(100) 및 바닥부(210)와 동일하게 0.02mm~0.1mm로 형성될 수 있다.
이어서, 도 7에 도시된 바와 같은 제1연결체(231), 제2연결체(232), 제3연결체(233) 및 제4연결체(234) 각각이 바닥부(210)와 이루는 각도(A)는 모두 동일하게 형성될 수 있으며, 이때 제1연결체(231), 제2연결체(232), 제3연결체(233) 및 제4연결체(234) 각각이 바닥부(210)와 이루는 각도(A)는 15°~90°로 형성될 수 있다.
여기서 도 8의 그래프에는, 본 발명의 일실시예에 고체산화물 연료전지용 집전체(10)에 0.49N/mm2의 하중을 높이 방향으로 작용시켰을 때, 제1연결체(231), 제2연결체(232), 제3연결체(233) 및 제4연결체(234) 각각이 바닥부(210)와 이루는 각도(A)에 따른 집전체(10)의 높이 방향 변형량이 나타나있다.
도 8의 그래프에 나타난 바와 같이, 집전체(10)에 작용하는 하중에 대한 집전체(10) 높이 방향 변형량은, 제1연결체(231), 제2연결체(232), 제3연결체(233) 및 제4연결체(234) 각각이 바닥부(210)와 이루는 각도(A)가 15° 이상인 경우부터 급격하게 작아지게 되므로, 고체산화물 연료전지 작동 과정에서 집전체(10)의 변형량을 최소화 시키기위해 제1연결체(231), 제2연결체(232), 제3연결체(233) 및 제4연결체(234) 각각이 바닥부(210)와 이루는 각도(A)를 15°~90°로 형성시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 단위성형부(200)의 바닥부(210)를 제1연결체(231), 제2연결체(232), 제3연결체(233) 및 제4연결체(234)에 의해 십자형 형태로 지지되게 구성함으로써, 본 발명의 일실시예에 따른 집전체(10)의 높이 방향 하중에 저항하는 강도를 크게 향상시킬 수 있게 된다.
이어서, 단위성형부(200)의 개구부(250)는 베이스플레이트(100)를 두께 방향으로 관통하는 형태로 형성되는 제1유통홀(251), 제2유통홀(252), 제3유통홀(253) 및 제4유통홀(254)을 포함할 수 있다.
이때, 제1유통홀(251)은 베이스플레이트(100)를 두께 방향으로 관통하는 형태로 제1연결부(231)와 제3연결부(233) 사이에 형성되어, 제1연결부(231), 제3연결부(233) 및 베이스플레이트(100)로 둘러싸이는 형태로 형성될 수 있다.
또한, 제2유통홀(252)은 베이스플레이트(100)를 두께 방향으로 관통하는 형태로 제2연결부(232)와 제3연결부(233) 사이에 형성되어, 제2연결부(232), 제3연결부(233) 및 베이스플레이트(100)로 둘러싸이는 형태로 형성될 수 있다.
또한, 제3유통홀(253)은 베이스플레이트(100)를 두께 방향으로 관통하는 형태로 제2연결부(232)와 제4연결부(234) 사이에 형성되어, 제2연결부(232), 제4연결부(234) 및 베이스플레이트(100)로 둘러싸이는 형태로 형성될 수 있다.
또한, 제4유통홀(254)은 베이스플레이트(100)를 두께 방향으로 관통하는 형태로 제1연결부(231)와 제4연결부(234) 사이에 형성되어, 제1연결부(231), 제4연결부(234) 및 베이스플레이트(100)로 둘러싸이는 형태로 형성될 수 있다.
이와 같이 단위성형부(200)에 제1유통홀(251), 제2유통홀(252), 제3유통홀(253) 및 제4유통홀(254)을 포함하는 개구부(250)가 구비됨으로써, 연료전지를 작동시키는데 사용되는 유체가 베이스플레이트(100)의 제1베이스면(101)측에서 제2베이스면(102)측으로 이동하거나, 제2베이스면(102)측에서 제1베이스면(101)측으로 이동할 수 있도록 구비된다.
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이 복수개의 단위성형부(200)는 베이스플레이트(100) 상에 격자 형태로 배열될 수 있으며, 이때 도 6에 나타낸 바와 같은 복수개의 단위성형부(200)의 가로 방향 배치간격(b1) 및 세로 방향 배치간격(b2)은 각각 1.2mm~2mm로 형성될 수 있다.
한편, 도 12에 나타낸 바와 같은 복수개의 단위성형부(200)가 형성된 베이스플레이트(100)의 높이(H)는 0.2mm~1mm로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 9 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조방법은, 피어싱단계(S10) 및 포밍단계(S20)를 포함할 수 있다.
먼저, 피어싱단계(S10)는 베이스플레이트(100)를 피어싱(piercing) 가공하여, 도 10 내지 도 11에 도시된 바와 같이 베이스플레이트(100) 상에, 격자 형태로 배치되는 제1관통홀(111), 제2관통홀(112), 제3관통홀(113) 및 제4관통홀(114)을 포함하는 피어싱부(110)를 복수개 형성시키는 단계이다.
제1관통홀(111), 제2관통홀(112), 제3관통홀(113) 및 제4관통홀(114)는 각각 베이스플레이트(100)를 두께 방향으로 관통하는 형태로 형성될 수 있으며, 제1관통홀(111), 제2관통홀(112), 제3관통홀(113) 및 제4관통홀(114) 각각은 사각형 또는 원형으로 형성될 수 있다.
이때, 도 10에 도시된 바와 같이 제1관통홀(111), 제2관통홀(112), 제3관통홀(113) 및 제4관통홀(114) 각각이 사각형 형태로 형성되는 경우, 제1관통홀(111), 제2관통홀(112), 제3관통홀(113) 및 제4관통홀(114) 각각은 정사각형 형태 또는 직사각형 형태로 형성될 수 있으며, 제1관통홀(111), 제2관통홀(112), 제3관통홀(113) 및 제4관통홀(114) 각각의 가로 길이(c1) 및 세로 길이(c2)는 각각 0.15mm~0.55mm로 형성될 수 있다.
또한, 도 11에 도시된 바와 같이 제1관통홀(111), 제2관통홀(112), 제3관통홀(113) 및 제4관통홀(114) 각각이 원형으로 형성되는 경우, 제1관통홀(111), 제2관통홀(112), 제3관통홀(113) 및 제4관통홀(114) 각각의 직경(d)은 0.15mm~0.55mm로 형성될 수 있다.
한편, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 베이스플레이트(100)에 형성되는 복수개의 피어싱부(110)는 베이스플레이트(100) 상에 격자 형태로 배열될 수 있으며, 이때 복수개의 피어싱부(110)의 가로 방향 배치간격(e1) 및 세로 방향 배치간격(e2)은 각각 1.2mm~2mm로 형성될 수 있다.
이어서, 포밍단계(S20)는 베이스플레이트(100) 상의 각 영역 중, 제1관통홀(111), 제2관통홀(112), 제3관통홀(113) 및 제4관통홀(114)로 둘러싸인 영역을 스탬핑 가공 영역(M)으로 설정하고, 각각의 스탬핑 가공 영역(M)을 스탬핑(stamping) 가공하여 베이스플레이트(100) 상에 베이스플레이트(100)에서 일정 높이만큼 돌출된 단위성형부(200)를 복수개 형성시키는 단계이다.
여기서, 스탬핑 가공 영역(M)은 사각형으로 형성될 수 있으며, 이때 스탬핑 가공 영역(M)은 각 꼭지점이 제1관통홀(111), 제2관통홀(112), 제3관통홀(113) 및 제4관통홀(114) 각각의 외주면에 접하도록 형성될 수 있다.
특히, 제1관통홀(111), 제2관통홀(112), 제3관통홀(113) 및 제4관통홀(114) 각각이 사각형 형태로 형성되는 경우에는, 스탬핑 가공 영역(M)은 도 10에 도시된 바와 같이 각 꼭지점이 제1관통홀(111), 제2관통홀(112), 제3관통홀(113) 및 제4관통홀(114) 각각의 꼭지점에 일치하도록 형성될 수 있다.
한편, 스탬핑 가공 영역(M)은 정사각형 형태 또는 직사각형 형태로 형성될 수 있으며, 이때 도 10 및 도 11에 나타낸 스탬핑 가공 영역(M)의 가로 길이(f1) 및 세로 길이(f2)는 각각 0.15mm~0.55mm로 형성될 수 있다.
한편, 포밍단계(S20)에서, 스탬핑 가공의 깊이는, 복수개의 단위성형부(200)가 형성된 베이스플레이트(100)의 높이가 0.2mm~1mm로 형성되도록 하는 깊이로 설정될 수 있다.
즉, 포밍단계(S20)에서는 단위성형부(200)가 형성된 베이스플레이트(100)의 높이가 0.2mm~1mm가 되도록 스탬핑 가공을 실시할 수 있다.
다음으로, 도 13 및 도 14를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 대하여 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택은, 도 13에 도시된 바와 같이 단위셀(20), 분리판(30) 및 전술한 집전체(10)를 포함할 수 있다.
단위셀(20)은 공기극(21), 연료극(22) 및 공기극(21)과 연료극(22) 사이에 배치되는 전해질막(23)을 포함하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly) 형태로 구비될 수 있으며, 고체산화물 연료전지를 구성하는 막-전극 접합체의 구조는 공지된 것이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
분리판(30)은 일예로 판상형 부재로 구비되어 단위셀(20)의 일측에 배치될 수 있으며, 이때 분리판(30)은 유체 유동용 유로(31)를 포함할 수 있다.
집전체(10)는 단위셀(20)과 분리판(30) 사이에 배치될 수 있으며, 이때 집전체(10)의 각 구성은 전술한 바와 같으므로, 집전체(10)의 각 구성에 대한 자세한 설명은 생략한다.
한편, 도 14에 도시된 바와 같이 집전체(10) 복수개의 단위성형부(200)가 단위셀(20)에 대향하도록 배치되어 단위셀(20)에서 발생하는 전기를 집전하도록 구비될 수 있다.
이때, 전술한 바와 같이 단위성형부(200)의 바닥부(210)가 사각형 형태로 형성되므로, 집전체(10)와 단위셀(20)의 공기극(21) 또는 단위셀(20)의 연료극(22)이 접촉하는 면적이 크게 향상되어, 집전체(10)와 공기극(21) 또는 집전체(10)와 연료극(22) 사이의 면적비저항을 크게 감소시킬 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택은 단위셀(20), 집전체(10) 및 분리판(30)이 순서대로 적층되는 구조로 형성될 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 집전체
100 : 베이스플레이트 101 : 제1베이스면
102 : 제2베이스면 110 : 피어싱부
111 : 제1관통홀 112 : 제2관통홀
113 : 제3관통홀 114 : 제4관통홀
200 : 단위성형부 210 : 바닥부
211 : 제1바닥면 212 : 제2바닥면
230 : 연결부 231 : 제1연결체
232 : 제2연결체 233 : 제3연결체
234 : 제4연결체 250 : 개구부
251 : 제1유통홀 252 : 제2유통홀
253 : 제3유통홀 254 : 제4유통홀
20 : 단위셀
21 : 공기극 22 : 연료극
23 : 전해질막
30 : 분리판
31: 유로
100 : 베이스플레이트 101 : 제1베이스면
102 : 제2베이스면 110 : 피어싱부
111 : 제1관통홀 112 : 제2관통홀
113 : 제3관통홀 114 : 제4관통홀
200 : 단위성형부 210 : 바닥부
211 : 제1바닥면 212 : 제2바닥면
230 : 연결부 231 : 제1연결체
232 : 제2연결체 233 : 제3연결체
234 : 제4연결체 250 : 개구부
251 : 제1유통홀 252 : 제2유통홀
253 : 제3유통홀 254 : 제4유통홀
20 : 단위셀
21 : 공기극 22 : 연료극
23 : 전해질막
30 : 분리판
31: 유로
Claims (10)
- 소정의 두께를 가지면서, 가로 방향 및 세로 방향으로 연장되게 형성되는 베이스플레이트; 및
상기 베이스플레이트 상에 형성되는 복수개의 단위성형부;
를 포함하고,
상기 단위성형부는,
상기 베이스플레이트에서 일정 높이만큼 돌출되는 형태로 형성되는 바닥부;
상기 바닥부의 가로 방향 일측과 상기 베이스플레이트를 연결하는 형태로 형성되는 제1연결체와, 상기 바닥부의 가로 방향 타측과 상기 베이스플레이트를 연결하는 형태로 형성되는 제2연결체와, 상기 바닥부의 세로 방향 일측과 상기 베이스플레이트를 연결하는 형태로 형성되는 제3연결체와, 상기 바닥부의 세로 방향 타측과 상기 베이스플레이트를 연결하는 형태로 형성되는 제4연결체를 포함하는 연결부; 및
상기 베이스플레이트를 두께 방향으로 관통하는 형태로 상기 제1연결부와 상기 제3연결부 사이에 형성되는 제1유통홀과, 상기 베이스플레이트를 두께 방향으로 관통하는 형태로 상기 제2연결부와 상기 제3연결부 사이에 형성되는 제2유통홀과, 상기 베이스플레이트를 두께 방향으로 관통하는 형태로 상기 제2연결부와 상기 제4연결부 사이에 형성되는 제3유통홀과, 상기 베이스플레이트를 두께 방향으로 관통하는 형태로 상기 제1연결부와 상기 제4연결부 사이에 형성되는 제4유통홀을 포함하는 개구부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체. - 제1항에 있어서,
상기 제1연결체, 상기 제2연결체, 상기 제3연결체 및 상기 제4연결체 각각이 상기 바닥부와 이루는 각도는 모두 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체. - 제1항에 있어서,
상기 바닥부는 사각형 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체. - 제1항에 있어서,
상기 복수개의 단위성형부는,
상기 베이스플레이트 상에 격자 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체. - 공기극, 연료극 및 상기 공기극과 상기 연료극 사이에 배치되는 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly) 형태의 단위셀;
상기 단위셀의 일측에 배치되고, 유체 유동용 유로를 포함하는 분리판; 및
상기 단위셀과 상기 분리판 사이에 배치되는 제1항 내지 제4항 중 어느 하나에 해당하는 집전체;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택. - 제5항에 있어서,
상기 집전체는,
상기 복수개의 단위성형부가 상기 단위셀에 대향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택. - 베이스플레이트를 피어싱 가공하여, 상기 베이스플레이트 상에, 격자 형태로 배치되는 제1관통홀, 제2관통홀, 제3관통홀 및 제4관통홀을 포함하는 피어싱부를 복수개 형성시키는 피어싱단계; 및
상기 베이스플레이트 상의 각 영역 중, 상기 제1관통홀, 상기 제2관통홀, 상기 제3관통홀 및 상기 제4관통홀로 둘러싸인 영역을 스탬핑 가공 영역으로 설정하고, 각각의 스탬핑 가공 영역을 스탬핑 가공하여 상기 베이스플레이트 상에 상기 베이스플레이트에서 일정 높이만큼 돌출된 단위성형부를 복수개 형성시키는 포밍단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 제1관통홀, 상기 제2관통홀, 상기 제3관통홀 및 상기 제4관통홀 각각은 사각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 복수개의 피어싱부는,
격자 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 스탬핑 가공 영역은 사각형인 것을 특징으로 하는 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조방법.
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| KR1020220157133A KR20240076488A (ko) | 2022-11-22 | 2022-11-22 | 십자형 성형부를 갖는 고체산화물 연료전지용 집전체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택 |
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