KR20100029331A - 금속지지체형 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

금속지지체형 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속지지체형 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 금속지지체형 단전지를 분리판에 용접함으로써 확실한 밀봉이 가능하여 연료가스 및 공기가 누출되거나 반응 이전에 혼합되지 않도록 하고, 각각 정해진 유로를 통해 공급되므로 에너지 생산 효율을 높일 수 있으며, 내구성과 실링 효율을 획기적으로 높일 수 있는 금속지지체형 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조 방법은 S210) 전해질층, 상기 전해질층의 양측 면에 각각 형성되는 연료극 및 공기극을 포함하는 단전지와 상기 단전지의 일측에 금속지지체를 접합 고정하여 금속지지체형 단위셀을 형성하는 금속지지체형 단위셀 형성 단계; S220) 상기 금속지지체형 단위셀의 금속지지체가 형성된 측과 제1분리판을 고정하는 금속지지체형 단위셀 및 제1분리판 고정 단계; 및 S230) 상기 금속지지체형 단위셀이 형성된 제1분리판, 절연부재, 제1집전부재 및 제2분리판을 조립하는 조립 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법은 메쉬 형태의 집전체를 대신하여 중공부가 형성된 금속지지체를 분리판에 직접 용접함으로써 연료가스 및 공기가 혼합되거나 누출되는 일 없이 각각 정해진 유로를 통해 단전지로 공급되어 확실한 밀봉이 가능하고 안정적이면서도 높은 에너지 생산 효율을 가지며, 충분한 기계적 강도를 가져 내구성을 높임으로써 사용 수명을 늘린 장점이 있다.
연료전지, 용접, 금속지지체, 분리판

Description

금속지지체형 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법{METAL SUPPORTED SOLID OXIDE FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 금속지지체형 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 금속지지체형 단전지를 분리판에 용접함으로써 확실한 밀봉이 가능하여 연료가스 및 공기가 누출되거나 반응 이전에 혼합되지 않도록 하고, 각각 정해진 유로를 통해 공급되므로 에너지 생산 효율을 높일 수 있으며, 내구성과 실링 효율을 획기적으로 높일 수 있는 금속지지체형 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로, 수소, 산소와 같이 지구상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기 에너지를 발생시키는 새로운 친환경적 미래형 에너지 기술이다.
연료전지는 공기극(Cathode)에 산소가 공급되고 연료극(Anode)에 수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응 형태로 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 및 물이 발생되어 공해를 유발하지 않으면서도 고효율로 전기에너지를 생산한다.
이와 같은 연료전지는 종래 열기관에서 한계로 작용하는 카르노 순환(Carnot Cycle)의 제한으로부터 자유롭기 때문에 40% 이상의 효율을 올릴 수 있으며, 상술한 바와 같이 배출되는 물질이 물뿐이므로 공해의 우려가 없으며, 종래 열기관과는 달리 기계적으로 운동하는 부분이 불필요하기 때문에 소형화가 가능하고 소음이 없는 등 다양한 장점을 가지고 있다. 따라서 연료전지에 관련된 각종 기술 및 연구가 활발하게 진행되고 있다.
연료전지는 그 전해질 종류에 따라 인산 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융 탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell), 알칼리 연료전지(AFC, Alkaline Fuel Cell) 등 여섯 가지 종류 정도가 실용화되었거나 계획 중에 있다. 각 연료전지들의 특징을 하기의 표에 정리하였다.
Figure 112008063502154-PAT00001
상기 표에서 알 수 있듯이 각각의 연료전지들은 그 출력범위 및 사용용도 등이 다양하여 목적에 따라 알맞은 연료전지를 선택할 수 있으며, 이 중에서도 상기 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)는 상대적으로 전해질의 위치제어가 쉽고, 전해질의 위치가 고정되어 있어서 전해질 고갈의 위험성이 없으며, 부식성이 약하여 소재의 수명이 길다는 장점으로 인하여 분산 발전용, 상업용 및 가정용으로서 각광을 받고 있다.
상기 고체산화물 연료전지의 작동원리를 나타낸 개념도로, 공기극에 산소가 공급되고, 연료극에 수소가 공급되는 경우, 이때의 반응은 하기의 식을 따른다.
Figure 112008063502154-PAT00002
고체산화물 연료전지는 통상 전해질로서 YSZ(yttria-stabilized zirconia), 연료극 으로는 Ni-YSZ 도성 합금(cermet), 공기극으로는 페로브스카이트 재질(perovskite material)을 사용하며, 이동 이온(mobile ion)으로는 산소이온을 사용한다.
도 1은 종래의 고체산화물 연료전지(1)에 따른 개략도로, 전해질층(11), 상기 전해질층(11)의 양측면에 형성되는 연료극(12) 및 공기극(13)을 포함하는 단전지(10); 상기 단전지(10)의 양측면에 구비되는 집전체(20); 및 내부에 상기 단전지(10) 및 집전체(20)가 포함되도록 구비되는 분리판(30a, 30b)을 포함하여 형성된다.
상기 분리판(30a, 30b)은 상기 단전지(10) 및 집전체(20)를 지지함과 동시에 공급통로(31a, 31b)가 형성되어 연료가스 및 공기(산소)를 공급한다.
한편, 상기 고체산화물 연료전지(1)는 상기 연료가스 및 공기가 정해진 경로를 통해서만 이동되어야 하는데, 상기 연료가스 및 공기가 섞이거나 밖으로 누출될 경우에 전지 성능이 급격히 저하되므로 상당히 높은 수준의 밀봉 기술이 요구된다.
그런데, 종래의 고체산화물 연료전지(1)는 일반적으로 상기 분리판(30a, 30b)간의 접합 및, 단전지(10)와 분리판의 접합(도 1에서는 단전지(10)의 공기극(13)이 형성된 측이 밀봉재(40)를 이용하여 상측 분리판(30b)에 접합된 예를 도시하였다.)에 통상 유리재료 기반의 밀봉재(40)가 이용된다.
그러나 상기 유리재료 기반의 밀봉재(40)는 외부 충격에 의해 깨지기 쉬워 요구되는 충분한 강도를 갖기 어려우며, 반복적인 온도 변화에 의해 변형이 쉽게 유발되어 충분한 실링능력을 기대하기 어려운 문제점이 있어 고체산화물 연료전지(1) 성능 저하의 주된 원인이 된다.
또한, 상기 집전체(20)는 상기 단전지(10)와 분리판(30a, 30b) 사이에 배치되어 전기적 성능을 향상시키는 구성으로, 금속합금 또는 귀금속으로 이루어진 메쉬형태로 이루어지며, 상기 단전지(10)로 상기 연료가스 및 공기가 균일하게 공급되도록 하지만, 상기 메쉬타입의 집전체(20)가 구비됨으로써 실링이 더욱 어려워지는 문제점이 있다.
한편, 상기 단전지(10) 모듈 하나만으로는 충분한 전압을 얻을 수 없으므로, 상기 단전지(10)의 면적을 증가시키거나 필요에 따라 스택 형태로 적층하여 이용되는데, 이러한 경우에는 요구되는 기계적 강도를 가지며 충분한 밀봉 특성을 만족시키기 더욱 어려워지는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 메쉬 형태의 집전체를 대신하여 중공부가 형성된 금속지지체를 분리판에 직접 용접함으로써 연료가스 및 공기가 혼합되거나 누출되는 일 없이 각각 정해진 유로를 통해 단전지로 공급되어 확실한 밀봉이 가능하고 충분한 기계적 강도를 갖는 금속지지체형 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조 방법은 S210) 전해질층, 상기 전해질층의 양측 면에 각각 형성되는 연료극 및 공기극을 포함하는 단전지와 상기 단전지의 일측에 금속지지체를 접합 고정하여 금속지지체형 단위셀을 형성하는 금속지지체형 단위셀 형성 단계; S220) 상기 금속지지체형 단위셀의 금속지지체가 형성된 측과 제1분리판을 고정하는 금속지지체형 단위셀 및 제1분리판 고정 단계; 및 S230) 상기 금속지지체형 단위셀이 형성된 제1분리판, 절연부재, 제1집전부재(170) 및 제2분리판을 조립하는 조립 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속지지체형 단위셀 및 제1분리판 고정 단계는 상기 금속지지체형 단위셀과 제1분리판이 용접 결합되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 제1분리판 및 제2분리판은 각각 상기 공기극에 공기를 공급하는 공급통로 및 상기 연료극에 연료가스를 공급하는 공급통로가 각각 형성되고, 상기 금 속지지체와 고정되는 제1분리판은 상기 공급통로 상부의 상기 금속지지체가 고정되는 측에 상기 금속지지체가 안착되도록 내측으로 단차진 안착부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 금속지지체는 판형으로 형성되어 둘레면이 상기 제1분리판과 용접되는 용접부 및 상기 용접부 내부에 상기 분리판의 공급통로를 통해 공급된 연료가스 또는 공기가 상기 단전지로 이동될 수 있도록 상ㆍ하방향으로 중공되어 상기 공급통로와 연통되는 유로를 형성하는 중공부가 형성되는 것을 특징으로 하고, 상기 중공부는 복수개 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속지지체형 단위셀 형성 단계에서, 상기 금속지지체와 단전지 사이에 접합재가 도포된 후 소결 접합되는 것을 특징으로 하고, 상기 소결 온도는 1000 내지 1500 ℃인 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 접합재는 다공성 및 도전 특성을 갖는 슬러리인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 절연부재는 상기 제1분리판과 제2분리판 사이에 형성되어 절연성이 유지되도록 상기 단전지가 위치되는 부분이 중공된 판형부재인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 금속지지체형 단위셀 형성 단계는 상기 단전지(110)와 금속지지체(120) 사이에 제2집전부재(171)를 구비한 후 접합 고정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조 방법은 상기 조립 단계에서 상기 금속지지체형 단위셀이 형성된 제1분리판, 절연부재, 및 제2분리판이 순차적으로 복수개 스택형으로 적층된 후 조립되는 것을 특징으로 하고, 상기 조립 단계에서 스택형으로 적층될 경우의 인접하게 위치되는 제1분리판 및 제2분리판은 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지는 상술한 바와 같은 제조 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법은 메쉬 형태의 집전체를 대신하여 중공부가 형성된 금속지지체를 분리판에 직접 용접함으로써 연료가스 및 공기가 혼합되거나 누출되는 일 없이 각각 정해진 유로를 통해 단전지로 공급되어 확실한 밀봉이 가능하고 안정적이면서도 높은 에너지 생산 효율을 가지며, 충분한 기계적 강도를 가져 내구성을 높임으로써 사용 수명을 늘린 장점이 있다.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100) 및 그 제조 방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 제조 방법의 단계도이고, 도 3은 상기 도 2의 제조 방법에 따른 공정도이며, 도 4 및 도 5는 본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)에 따른 단면도, 및 분해단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 분리판(130a, 130b) 형태를 나타낸 도면이며, 도 7 및 도 8은 각각 본 발명에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 다른 분해 단면도이고, 도 9는 본 발명에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 또 다른 분해사시도이며, 도 10은 본 발명에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)를 나타낸 개략도이다.
상기 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 제조 방법은 S210) 금속지지체형 단위셀 형성 단계; S220) 금속지지체형 단위셀 및 제1분리판(130a) 고정 단계; 및 S230) 조립 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 제조 방법은 크게 단전지(110), 금속지지체(120), 제1분리판(130a), 제2분리판(130b), 및 절연부재(140)를 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 제조 방법에 따른 각 단계 및 그 형태를 첨부된 도면을 참조로 설명한다.
상기 S210) 금속지지체형 단위셀 형성 단계는 단전지(110)와 금속지지체(120)를 접합 고정하는 단계로서, 상기 단전지(110)는 전해질층(111), 상기 전해질층(111)의 양측 면에 각각 형성되는 연료극(112) 및 공기극(113)을 포함하여 형성되고, 상기 금속지지체(120)는 상기 단전지(110)의 일측에 형성되어 상기 단전지(110)를 지지하고, 집전 효율을 높이는 역할을 한다.
상기 금속지지체(120)의 재료로서, 단전지(110)를 지지하고, 용접열 또는 외부 충격 등에 의해 변형되지 않는 정도의 기계적 강도 및 내열성을 가지며, 전도성 있는 금속, 금속 합금 등이 이용가능하며, 그 형태는 내부에 연료가스 또는 공기가 이동될 수 있는 중공부(122)가 형성된 판형으로 형성될 수 있고, 구체적인 형태는 아래에서 다시 설명한다.
상기 도 3 (a) 는 상기 금속지지체형 단위셀 형성 단계의 공정을 나타낸 도면으로, 제조된 단전지(110)의 일측은 상기 금속지지체(120)와 접합 고정된다.
이 때, 상기 단전지(110)와 금속지지체(120)의 결합은 상기 금속지지체(120)와 단전지(110) 사이에 접합재(180)가 도포된 후 소결 접합 될 수 있으며, 상기 소결 온도는 1000 내지 1500 ℃인 것이 바람직하고, 상기 접합재(180) 및 소결을 이용한 방법 외에도 물리적 혹은 화학적인 다른 접합 방법을 이용하여 결합될 수도 있다.
상기 접합재(180)를 이용하는 경우에, 상기 금속지지체(120)를 통해 공급되는 연료가스 또는 공기가 단전지(110)로 원활히 이동될 수 있도록 다공성 및 도전특성을 갖는 슬러리가 이용될 수 있으며, 실예로 페라이트계 금속과 NiO/YSZ가 미량 혼합된 서멧이 이용될 수 있다.
본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)는 상기 금속지지체형 단위셀을 형성함에 따라 단전지(110)의 변형을 방지할 수 있으면서도 종래의 집전체를 이용함에 따라 발생되는 밀봉 또는 집전 효율을 문제를 해결할 수 있으며, 연료전지(100)의 기계적 강도 및 내구성을 높일 수 있는 장점이 있다.
상기 S220) 금속지지체형 단위셀 및 제1분리판(130a) 고정 단계는 상기 도 3 (b)에 도시한 바와 같이, 상기 금속지지체형 단위셀과 제1분리판(130a)을 고정하는 단계이다.
상기 제1분리판(130a)은 제2분리판(130b)과 함께 상기 단전지(110)의 상측 및 하측에서 서로 체결되어 연료전지(100)를 지지하는 구성으로, 본 발명에서 제1분리판(130a)은 상기 금속지지체형 단위셀이 고정되는 분리판(130a)을 의미한다.
이 때, 상기 금속지지체형 단위셀과 제1분리판(130a)은 용접 결합될 수 있으며, 본 발명에서 용접이란, 레이저, 알곤 등을 이용한 용접뿐만 아니라, 브레이징을 포함하는 큰 의미로 해석될 수 있다.
본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)는 상기 금속지지체형 단위셀과 제1분리판(130a)을 용접 결합함으로써 밀봉 성능을 더욱 높일 수 있게 된다.
상기 제1분리판(130a) 및 제2분리판(130b)은 내부 구성을 지지하는 역할을 담당할 뿐만 아니라, 각각 단전지(110)의 공기극(113)에 공기가 공급되도록 하는 공급통로(132a, 132b) 및 상기 연료극(112)에 연료가스가 공급되도록 하는 공급통로(132a, 132b)가 각각 형성된다.
상기 제1분리판(130a)과 제2분리판(130b)은 상기 금속지지체형 단위셀이 접합되느냐에 따라 구분되므로, 상기 금속지지체(120)가 상기 공기극(113)과 연료극(112) 중 어느 곳에 형성되었는지에 따라 상기 제1분리판(130a)에 형성된 공급통로(132a)와 제2분리판(130b)에 형성된 공급통로(132b)에 연료가스가 유동될 수도 있고 공기가 유동될 수 있으며, 도면 4에서 상기 제1분리판(130a)의 공급통로(132a)는 상기 금속지지체(120)가 연료극(112)측에 형성되므로, 상기 제1분리판(130a)의 공급통로(132a)에는 연료가스가 유동된다.
또한, 상기 금속지지체형 단위셀과 고정되는 제1분리판(130a)은 상기 금속지지체형 단위셀(금속지지체(120))이 안착되도록 내측으로 단차진 안착부(131)가 형성되어 상기 금속지지체형 단위셀과 제1분리판(130a)의 고정 시, 상기 제1분리판(130a)의 상면이 상기 금속지지체(120)에 의해 돌출되지 않도록 할 수 있다.
상기 제1분리판(130a)에 안착부(131)가 형성되는 경우에, 상기 제1분리판(130a) 및 제2분리판(130b) 사이에 형성되는 절연부재(140)의 높이(판형 부재로 형성되는 경우)는 단전지(110)의 형성 높이와 같게 형성되어 조립이 용이하도록 할 수 있다.
이 때, 상기 제1분리판(130a) 또는 제2분리판(130b)은 서로 체결되는 고정부(133)가 형성되고, 공급통로(132a, 132b)는 외부로부터 연료가스 또는 공기를 안내하는 홀이 형성될 수 있다.
상기 금속지지체(120)의 중공부(122)는 상기 연료가스 또는 공기가 단전지(110)로 용이하게 이동될 수 있도록 상ㆍ하방향으로 중공되어 상기 공급통로(132a, 132b)와 연통되는 유로를 이루도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속지지체형 단위셀은 상기 제1분리판(130a)과 용접되므로, 판형로 형성되어 둘레면이 상기 제1분리판(130a)과 용접되는 용접부(121)가 형성되어 상기 연료가스 또는 공기의 흐름을 방해하지 않으면서도 상기 제1분리판(130a)과 용이하게 용접 결합되도록 한다.
상기 제1분리판(130a) 또는 제2분리판(130b)은 상기 도 3에 도시한 연속적인 유로를 갖도록 홈이 형성된 공급통로(132a)가 형성될 수 있고, 상기 도 6에 도시한 바와 같이 더욱 다양하게 형성될 수 있다.
상기 도 6 (a) 에 도시한 제1분리판(130a) 또는 제2분리판(130b)은 상기 내부의 공급통로(132a, 132b)가 상기 도 3에 도시한 형태와 같으나, 상기 금속지지체형 단위셀의 금속지지체(120)가 형성된 측이 안착되는 안착부(131)가 형성되지 않은 예를 도시하였다.
또한, 상기 도 6 (b) 에 도시한 제1분리판(130a) 또는 제2분리판(130b)은 상기 공급통로(132a, 132b)가 단면이 원형인 돌출부가 복수개 형성되어 내부 연료가스의 흐름을 난류화할 수 있도록 형성되고, 홀이 상기 도 6 (a)에 도시한 형태와 비교하여 더 길게 형성된 예를 도시하였다.
상기 S230) 조립 단계는 상기 금속지지체형 단위셀이 형성된 제1분리판(130a), 절연부재(140), 제1집전부재(170) 및 제2분리판(130b)을 조립하는 단계로서, 본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)는 상기 조립 단계를 통해 금속지지체형 단위셀을 제조할 수 있다. (도 3 (c) 참조)
상기 도 3 (c)에서 상기 절연부재(140)는 내구성 및 작업성 향상을 위하여 상기 단전지(110)가 위치되는 부분이 중공되도록 판형태로 형성된 예를 도시하였으나 그 외에도 절연특성을 갖는 유리재질의 밀봉재가 이용될 수 있으며, 상기 밀봉재를 이용하는 경우에는 상기 제1분리판(130a)과 제2분리판(130b)의 조립 이 전에 밀봉재를 이용한 절연부재(140)가 형성된다.
상기 절연부재(140)는 상기 제1분리판(130a)과 제2분리판(130b) 사이에 형성되되, 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100) 내부에 틈이 형성되지 않도록 그 높이를 포함하여 형태가 조절될 수 있으며, 상기 금속지지체형 단위셀과 제1분리판(130a)이 고정된 구성에서 상기 제1분리판(130a)에 안착부(131)가 형성되어 상기 단위셀에 의해 돌출되는 부분만 형성되는 경우에는 상기 절연부재(140)의 높이는 상기 단전지(110) 및 제1집전부재(170)의 구성과 동일한 높이를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 절연부재(140)가 판형태로 형성되는 경우에, 상기 제1분리판(130a)과 제2분리판(130b)의 조립 시에 상기 절연부재(140)가 함께 고정될 수 있도록 상기 제1분리판(130a) 및 제2분리판(130b)의 고정부(133)와 대응되는 위치에 절연부재(140)의 고정부(141)가 형성된다.
상기 제1집전부재(170)는 상기 금속지지체(120)가 접합되지 않은 제2분리판(130b)와 단전지(110) 사이에 형성되는 구성으로, 상기 제1집전부재(170)는 상기 제2분리판(130b)의 공급통로(132a)를 통해 공급되는 연료가스 또는 공기(상기 도 3 내지 도 5에서는 공기극(113)에 형성되므로 공기가 공급된다)가 상기 단전지(110)로 원활히 이동될 수 있도록 다공성 또는 메쉬 타입의 전도특성을 가지는 다양한 물질이 이용될 수 있다.
한편, 본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)는 상술한 바와 같 은 제조 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하며, 도면에서 상기 단전지(110)는 하측에서 상측방향으로 연료극(112), 전해질층(111), 및 공기극(113)이 형성된 예를 도시하였다.
도 4 및 도 5에 도시한 본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)는 상기 금속지지체(120)가 상기 단전지(110)의 연료극(112)측에 형성되고, 상기 제1분리판(130a)이 하측에 구비되며 안착부(131)가 형성되며, 상기 단전지(110)의 공기극(113)이 형성된 측에 제1집전부재(170)가 구비되는 예를 도시하였다.
따라서 본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료 전지 및 그 제조 방법은 금속지지체형 단위셀이 제1분리판(130a)에 용접 고정되어 상기 공급통로(132a)를 통해 공급된 연료가스 또는 공기가 상기 금속지지체(120)의 중공부(122)를 통해서만 단전지(110)로 공급되므로 종래의 상기 정해진 유로만이 아니라 상기 제1분리판(130a)과 금속지지체(120)(집전체(170) 또는 단전지일 수 있음)가 접촉되는 둘레부분에서 연료가스 또는 공기가 에너지 생산 효율이 저하되는 문제점을 해결할 수 있는 장점이 있다.
도 7에 도시한 본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)는 상기 도 4 및 도 5의 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)와 기본적인 구성은 같으나, 상기 단전지(110)와 금속지지체(120) 사이에 제2집전부재(171)가 더 형성된 예를 도시한 것으로서, 상기 제2집전부재(171)는 금속지지체형 단위셀 형성 단계에서 상기 단전지(110)와 금속지지체(120)의 용접 이전에 상기 단전지(110)와 금속지지체(120) 사이에 제2집전부재(171)가 위치되도록 한다.
도 3 내지 도 5, 및 도 7에서 상기 금속지지체(120)가 단전지(110)의 연료극(112)에 형성되고, 상기 금속지지체형 단위셀이 고정되는 제1분리판(130a)이 하측에 형성된 예를 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 상기 도 8에 도시한 것과 같이, 상기 금속지지체(120)가 단전지(110)의 공기극(113)에 형성된 금속지지체형 단위셀을 형성하고, 상기 제1분리판(130a)이 상측에 형성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100) 및 그 제조 방법은 상기 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 스택형으로 적층될 수 있는데, 상기 조립 단계에서 상기 금속지지체형 단위셀이 형성된 제1분리판(130a), 절연부재(140), 제1집전부재(170) 및 제2분리판(130b)이 순차적으로 복수개 스택형으로 적층된 후 체결되도록 할 수 있다.
최상ㆍ하측 분리판(130a, 130b)뿐만 아니라 중간에 형성되는 제1분리판(130a) 및 제2분리판(130b)도 상기 최상ㆍ하측 분리판(130a, 130b)과 동일하게 형성된 개별적 구성품이 이용될 수 도 있으나, 본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100) 및 그 제조 방법은 상기 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 하측으로부터 금속지지체형 단위셀이 형성된 제1분리판(130a), 절연부재(140), 제1집전부재(170) 및 제2분리판(130b)이 여러 번 적층됨에 따라, 중간 영역에서 제2분리판(130b)과 제1분리판(130a)이 밀착되게 되는데, 중간에 위치되는 제1분리판(130a) 및 제2분리판(130b)은 일체로 형성되어 상기 적층 단계에서 적층해야하는 구성품의 개수를 줄일 수 있도록 하고 소형화가 가능하도록 할 수 있다.
스택형으로 적층되는 경우에는 결합부재(160) 및 엔드 플레이트(150)에 의해 지지될 수 있으며, 도면에서 상기 제1분리판(130a), 제2분리판(130b), 및 절연부재(140)의 고정부(133, 141)를 고정하는 별도의 고정부재는 도시하지 않았다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
도 1은 종래의 고체산화물 연료전지에 따른 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조 방법의 단계도.
도 3은 상기 도 2의 제조 방법에 따른 공정도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 금속지지체형 고체산화물 연료전지에 따른 단면도, 및 분해단면도.
도 6은 본 발명에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 분리판 형태를 나타낸 도면.
도 7 및 도 8은 각각 본 발명에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 다른 분해 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 또 다른 분해사시도.
도 10은 본 발명에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지를 나타낸 개략도.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
100 : 본 발명에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지
110 : 단전지 111 : 전해질층
112 : 연료극 113 : 공기극
120 : 금속지지체 121 : 용접부
122 : 중공부
130a, 130b : 분리판 131 : 안착부
132a, 132b : 공급통로 133 : 고정부
140 : 절연부재 141 : 고정부
150 : 엔드 플레이트 160 : 결합부재
170 : 집전부재 171 : 제2집전부재
180 : 접합재
S210 ~S230 : 본 발명에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지 제조 방법의 각 단계

Claims (13)

  1. S210) 전해질층(111), 상기 전해질층(111)의 양측 면에 각각 형성되는 연료극(112) 및 공기극(113)을 포함하는 단전지(110)와 상기 단전지(110)의 일측에 금속지지체(120)를 접합 고정하여 금속지지체형 단위셀을 형성하는 금속지지체형 단위셀 형성 단계;
    S220) 상기 금속지지체형 단위셀의 금속지지체(120)가 형성된 측과 제1분리판(130a)을 고정하는 금속지지체형 단위셀 및 제1분리판(130a) 고정 단계; 및
    S230) 상기 금속지지체형 단위셀이 형성된 제1분리판(130a), 절연부재(140), 제1집전부재(170) 및 제2분리판(130b)을 조립하는 조립 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속지지체형 단위셀 및 제1분리판(130a) 고정 단계는 상기 금속지지체형 단위셀과 제1분리판(130a)이 용접 결합되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지(100)의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1분리판(130a) 및 제2분리판(130b)은 각각 상기 공기극(113)에 공기를 공급하는 공급통로(132a, 132b) 및 상기 연료극(112)에 연료가스를 공급하는 공급통로(132a, 132b)가 각각 형성되고, 상기 금속지지체(120)와 고정되는 제1분리판(130a)은 상기 공급통로(132a) 상부의 상기 금속지지체(120)가 고정되는 측에 상기 금속지지체(120)가 안착되도록 내측으로 단차진 안착부(131)가 형성되는 것을 특징으로 하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 금속지지체(120)는 판형으로 형성되어 둘레면이 상기 제1분리판(130a)과 용접되는 용접부(121) 및 상기 용접부(121) 내부에 상기 분리판의 공급통로를 통해 공급된 연료가스 또는 공기가 상기 단전지(110)로 이동될 수 있도록 상ㆍ하방향으로 중공되어 상기 공급통로와 연통되는 유로를 형성하는 중공부(122)가 형성되는 것을 특징으로 하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 중공부(122)는 복수개 형성되는 것을 특징으로 하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 제조 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 금속지지체형 단위셀 형성 단계에서,
    상기 금속지지체(120)와 단전지(110) 사이에 접합재(180)가 도포된 후 소결 접합되는 것을 특징으로 하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 소결 온도는 1000 내지 1500 ℃인 것을 특징으로 하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 접합재(180)는 다공성 및 도전 특성을 갖는 슬러리인 것을 특징으로 하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 제조 방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 절연부재(140)는 상기 제1분리판(130a)과 제2분리판(130b) 사이에 형성되어 절연성이 유지되도록 상기 단전지(110) 및 집전부재(170)가 위치되는 부분이 중공된 판형부재인 것을 특징으로 하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 금속지지체형 단위셀 형성 단계는
    상기 단전지(110)와 금속지지체(120) 사이에 제2집전부재(171)를 구비한 후 접합 고정하는 것을 특징으로 하는 금속지지체형 금속산화물 연료전지의 제조 방법.
  11. 제1항 내지 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 제조 방법은
    상기 조립 단계에서 상기 금속지지체형 단위셀이 형성된 제1분리판(130a), 절연부재(140), 및 제2분리판(130b)이 순차적으로 복수개 스택형으로 적층된 후 조립되는 것을 특징으로 하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 조립 단계에서 스택형으로 적층될 경우의 인접하게 위치되는 제1분리판(130a) 및 제2분리판(130b)은 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 제조 방법.
  13. 제11항에 의해 제조된 금속지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 제조 방법에 의해 제조된 금속지지체형 고체산화물 연료전지.
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