KR20240008203A - 고체산화물 연료전지용 면압판과 매니폴드 블록 및 이를 구비한 고체산화물 언료전지 스택 - Google Patents

고체산화물 연료전지용 면압판과 매니폴드 블록 및 이를 구비한 고체산화물 언료전지 스택 Download PDF

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Abstract

고체산화물 연료전지 스택은 연속 부품 집합체와, 연속 부품 집합체에 면압을 가하는 면압판과, 연속 부품 집합체로 반응가스를 공급하는 매니폴드 블록을 포함한다. 면압판은, 상호 적층되고 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합된 복수의 제1 금속박판 및 전류 단자를 구비한 제2 금속박판과, 복수의 제1 금속박판과 제2 금속박판을 관통하며 복수의 제1 금속박판과 제2 금속박판에 고정된 복수의 변형 방지봉을 포함한다. 매니폴드 블록은, 상호 적층되고 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합된 제3 금속박판과 가스 채널방이 형성된 복수의 제4 금속박판 및 복수의 가스확산 홀이 형성된 가스확산 영역을 가지는 제5 금속박판을 포함한다.

Description

고체산화물 연료전지용 면압판과 매니폴드 블록 및 이를 구비한 고체산화물 언료전지 스택 {LOAD DISTRIBUTION PLATE AND MANIFOLD BLOCK FOR SOFC, AND SOFC STACK WITH THE SAME}
본 발명은 고체산화물 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택을 구성하는 부품들 중 비연속 부품인 면압판과 매니폴드 블록에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지의 스택은 대량의 전기 에너지를 생산하기 위해 전해질과 공기극 및 연료극으로 이루어진 단위전지를 여러 개 적층한 구조로 이루어진다. 고체산화물 연료전지의 스택은 크게 연속 부품(Repeating Component, RC)과 비연속 부품(Non-Repeating Component, NRC)으로 구성된다.
연속 부품(RC)에는 전해질의 양측에 공기극과 연료극이 배치된 단위전지와, 단위전지로 반응가스를 공급하기 위한 유로가 형성된 분리판과, 각각의 단위전지를 밀봉하여 반응가스의 누설을 방지하는 밀봉재 등이 있다.
비연속 부품에는 복수의 단위전지에 일정한 압력을 가하는 면압판과, 복수의 단위전지에 반응가스를 공급하는 매니폴드 블록이 있다. 면압판은 복수의 단위전지에 일정한 전류를 인가하기 위한 전류 단자를 포함한다. 매니폴드 블록은 가스입구 파이프 및 가스출구 파이프와 연결되며, 매니폴드 블록의 내부에는 이들 파이프와 연결된 유로가 위치한다.
종래의 면압판은 대략 20mm 이상 두께의 페라이트계 스테인리스 후판을 기계 가공하는 방법으로 제작되는데, 디자인에 따라 기본적인 모양을 가지도록 1차로 기계 가공하고, 스택 체결을 위해 모서리 등에 체결 홀을 가공하며, 별도로 제작된 전류 단자를 용접으로 고정시키는 과정들을 거쳐 제작될 수 있다.
종래의 매니폴드 블록 또한 대략 20mm 이상 두께의 페라이트계 후판을 기계 가공하는 방법으로 제작된다. 그런데 기계가공의 특성상 매니폴드 내부에 다양한 모양의 가스방을 만들기 곤란하다. 만약 매니폴드 블록 내부에 별도의 가스방을 만들기 위해서는 두 개의 판을 가공한 후 이들을 용접으로 고정시켜야 한다.
이와 같이 스택의 비연속 부품을 제조하기 위해서는 두께 20mm 이상의 후판이 필요하고, 후판에 대한 기계가공과 홀 가공 및 용접 등을 거쳐야 하므로 경제성 및 양산성이 낮다. 또한, 비연속 부품에 다양한 기능을 부가하는 것이 용이하지 않으며, 복잡한 디자인을 가지는 경우 제조가 어려워지는 문제가 있다.
본 발명은 다양하게 디자인될 수 있고, 경제성 및 양산성이 우수한 고체산화물 연료전지용 면압판 및 매니폴드 블록과 이를 구비한 고체산화물 연료전지 스택을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 면압판은 상호 적층된 복수의 제1 금속박판과, 복수의 제1 금속박판 사이에 위치하며 전류 단자를 구비한 제2 금속박판과, 복수의 제1 금속박판과 제2 금속박판을 관통하며 복수의 제1 금속박판 및 제2 금속박판에 고정된 복수의 변형 방지봉을 포함한다. 복수의 제1 금속박판과 제2 금속박판은 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합된다.
복수의 변형 방지봉은 몰리브덴과 니오븀이 추가된 니켈-크롬 합금강으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 매니폴드 블록은 제3 금속박판과, 제3 금속박판 상에서 상호 적층되며 가스 채널방이 형성된 복수의 제4 금속박판과, 복수의 제4 금속박판 상에 위치하며 복수의 가스확산 홀이 형성된 가스확산 영역을 가지는 제5 금속박판을 포함한다. 제3 금속박판과 복수의 제4 금속박판 및 제5 금속박판은 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합되고, 가스확산 영역은 가스 채널방의 상측에 위치한다.
복수의 제4 금속박판 중 적어도 하나의 제4 금속박판에 가스 채널방과 이어진 연결 채널이 위치할 수 있고, 연결 채널은 가스입구 파이프와 가스출구 파이프 중 어느 하나와 연결될 수 있다.
고체산화물 연료전지용 매니폴드 블록은 입구 반응가스와 출구 반응가스의 열교환을 위한 열교환판과, 입구 반응가스 및 출구 반응가스의 누설을 방지하는 분리막을 더 포함할 수 있다. 열교환판은 복수의 제4 금속박판 중 최상측 제4 금속박판과 제5 금속박판 사이에 위치할 수 있고, 분리막은 열교환판의 적어도 일면과 접할 수 있다. 최상측 제4 금속박판, 열교환판, 분리막, 및 제5 금속박판은 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택은 복수의 단위전지와 복수의 분리판을 포함하는 연속 부품 집합체와, 연속 부품 집합체에 면압을 가하는 면압판과, 연속 부품 집합체로 반응가스를 공급하는 매니폴드 블록을 포함한다. 면압판은, 상호 적층되고 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합된 복수의 제1 금속박판 및 전류 단자를 구비한 제2 금속박판과, 복수의 제1 금속박판과 제2 금속박판을 관통하며 복수의 제1 금속박판과 제2 금속박판에 고정된 복수의 변형 방지봉을 포함한다. 매니폴드 블록은, 상호 적층되고 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합된 제3 금속박판과 가스 채널방이 형성된 복수의 제4 금속박판 및 복수의 가스확산 홀이 형성된 가스확산 영역을 가지는 제5 금속박판을 포함한다.
복수의 변형 방지봉은 몰리브덴과 니오븀이 추가된 니켈-크롬 합금강으로 구성될 수 있다.
복수의 제4 금속박판 중 적어도 하나의 제4 금속박판에 가스 채널방과 이어진 연결 채널이 위치할 수 있고, 연결 채널은 가스입구 파이프와 가스출구 파이프 중 어느 하나와 연결될 수 있다.
매니폴드 블록은 입구 반응가스와 출구 반응가스의 열교환을 위한 열교환판과, 입구 반응가스와 출구 반응가스의 누설을 방지하는 분리막을 더 포함할 수 있다. 열교환판은 복수의 제4 금속박판 중 최상측 제4 금속박판과 제5 금속박판 사이에 위치할 수 있고, 분리막은 열교환판의 적어도 일면과 접할 수 있다. 최상측 제4 금속박판, 열교환판, 분리막, 및 제5 금속박판은 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합될 수 있다.
실시예들에 따르면, 다양한 디자인의 비연속 부품을 용이하게 제조할 수 있고, 면압판의 고온 변형을 최소화할 수 있다. 또한, 매니폴드 블록 내부에 다양한 형상의 가스 채널방을 만들 수 있고, 매니폴드 블록 내부에 열교환판을 내장함으로써 별도의 열교환기 없이 가열된 입구 반응가스를 복수의 단위전지에 균일하게 공급할 수 있다. 고체산화물 연료전지 스택은 경제성과 제조 공정의 양산성이 우수하며, 높은 내구성을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택의 부분 단면도이다.
도 2는 도 1의 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 면압판의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 면압판의 제조 과정을 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 블록의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 블록의 제조 과정을 나타낸 개략도이다.
도 7은 도 6의 I-I선을 기준으로 절개한 매니폴드 블록의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 매니폴드 블록의 제조 과정을 나타낸 개략도이다.
도 9는 도 8에 도시한 매니폴드 블록 중 열교환판의 사시도이다.
도 10과 도 11은 도 8에 도시한 매니폴드 블록의 열교환 과정을 설명하기 위한 고체산화물 연료전지 스택의 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택의 부분 단면도이고, 도 2는 도 1의 부분 확대도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택(100)은 복수의 단위전지(10) 및 복수의 분리판(20)과, 이들의 양 끝에 위치하는 면압판(30) 및 매니폴드 블록(40)을 포함한다. 복수의 단위전지(10)와 복수의 분리판(20)은 하나씩 교대로 적층된다. 면압판(30)과 매니폴드 블록(40) 각각은 이들 단위전지(10)와 분리판(20)의 최상단과 최하단에 각각 위치할 수 있다.
단위전지(10)는 전해질층(11)과, 전해질층(11)의 일측에 위치하는 공기극층(12)과, 전해질층(11)의 반대편 일측에 위치하는 연료극층(13)을 포함한다. 전해질층(11)은 가스를 투과하지 않는 치밀한 구조의 고체산화물로 이루어진다.
단위전지(10)는 전해질 지지체형, 공기극 지지체형, 금속 지지체형, 및 연료극 지지체형 중 어느 하나로 구성될 수 있다. 도 2에서는 금속 지지체(14)를 구비한 단위전지(10)를 예로 들어 도시하였다. 금속 지지체(14)에는 연료가스 공급을 위한 복수의 홀이 위치한다.
연료극층(13)을 향한 분리판(20)의 일면에는 연료극층(13)으로 연료가스를 공급하기 위한 연료극 가스채널(21)이 위치하고, 공기극층(12)을 향한 분리판(20)의 반대측 일면에는 산소가스(공기)를 공급하기 위한 공기극 가스채널(22)이 위치한다.
공기극층(12)에 산소가스가 공급되고 연료극층(13)에 연료가스(수소)가 공급되면, 공기극층(12)에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이동이 전해질층(11)을 통해 연료극층(13)으로 이동하고, 연료극층(13)에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 연료극층(13)에서 생성된 전자가 공기극층(12)으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위전지(10)는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.
단위전지(10)는 추가적으로 산소가스 밀봉을 위한 밀봉재(15)와, 공기극층(12)과 분리판(20)의 물리적 및 전기적 접촉을 위한 공기극 집전체(16)와, 금속 지지체(14)와 연료극층(13) 사이의 확산을 방지하기 위한 확산 방지막(17)을 더 포함할 수 있다.
면압판(30)은 복수의 단위전지(10)와 복수의 분리판(20)을 가압하여 이들에 일정한 면압을 가하며, 전류 단자(33)를 이용하여 복수의 단위전지(10)와 복수의 분리판(20)에 일정한 전류를 인가한다. 매니폴드 블록(40)은 복수의 분리판(20)으로 반응가스를 공급하고, 남은 반응가스를 수집하여 외부로 배출하는 기능을 한다. 매니폴드 블록(40)에는 반응가스를 공급하는 가스입구 파이프(51)와, 남은 반응가스를 외부로 배출하는 가스출구 파이프(52)가 연결된다.
이때 반응가스는 연료가스와 산소가스를 의미하며, 연료가스와 산소가스는 고체산화물 연료전지 스택(100) 전체에서 분리된 유로를 통해 공급되고 배출된다. 즉 매니폴드 블록(40)에는 두 종류의 반응가스를 공급하고 배출하기 위한 두 개의 분리된 유로가 존재하고, 연료가스와 산소가스 각각에 대해 가스입구 파이프(51)와 가스출구 파이프(52)가 존재한다.
복수의 분리판(20)에도 두 종류의 반응가스를 단위전지(10)에 공급하고 남은 반응가스를 배출하기 위한 두 개의 분리된 유로와 네 개의 매니폴드(두 개의 입구 매니폴드 및 두 개의 출구 매니폴드)가 존재한다.
편의상 다음에 설명하는 매니폴드 블록(40)과 분리판(20)의 매니폴드에 대해서는 한 종류의 반응가스에 대한 유로 구성에 대해 설명하며, 다른 한 종류의 반응가스에 대한 유로 구성도 이와 같거나 유사할 수 있다. 고체산화물 연료전지 스택에서 두 종류의 반응가스를 공급하고 남은 두 종류의 반응가스를 배출하는 두 개의 분리된 유로 구성은 공지 기술이므로 구체적인 설명은 생략한다.
전술한 구성의 고체산화물 연료전지 스택(100)에서 단위전지(10)와 분리판(20)은 연속 부품(Repeating Component, RC)에 속하고, 면압판(30)과 매니폴드 블록(40)은 비연속 부품(Non-Repeating Component, NRC)에 속한다. 즉 고체산화물 연료전지 스택(100)은 복수의 단위전지(10)와 복수의 분리판(20)으로 이루어진 연속 부품 집합체와, 연속 부품 집합체의 양측에 위치하는 두 개의 비연속 부품으로 구성된다.
일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택(100)에서 비연속 부품은 한 개의 후판이 아닌 복수의 박판으로 이루어지며, 복수의 박판이 일체로 접합된 구성으로 이루어진다. 이때 복수의 박판 중 어느 하나는 다른 하나와 다른 형상으로 이루어져 비연속 부품의 다양한 디자인 구현을 가능하게 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 면압판의 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 면압판의 제조 과정을 나타낸 개략도이다.
도 3과 도 4를 참고하면, 일 실시예에 따른 면압판(30)의 제조 방법은, 복수의 제1 금속박판(31) 및 전류 단자(33)를 구비한 적어도 하나의 제2 금속박판(32)을 제조하는 제1 단계(S100)와, 복수의 제1 금속박판(31)과 적어도 하나의 제2 금속박판(32)을 적층하는 제2 단계(S200)와, 확산 접합과 브레이징 접합 중 어느 하나의 방법을 이용하여 복수의 제1 금속박판(31)과 적어도 하나의 제2 금속박판(32)을 일체로 접합하는 제3 단계(S300)를 포함한다.
제1 단계(S100)에서, 일정 두께의 판재를 직사각 형상으로 절단 가공하여 복수의 제1 금속박판(31)을 제조한다. 또한, 일정 두께의 판재를 직사각 형상과 스트립 형상이 조합된 형상으로 절단 가공하여 전류 단자(33)를 가지는 적어도 하나의 제2 금속박판(32)을 제조한다. 도 4에서는 하나의 제2 금속박판(32)을 도시하였으나, 제2 금속박판(32)의 개수는 도시한 예시로 한정되지 않는다.
제1 금속박판(31)과 제2 금속박판(32)은 페라이트계 스테인리스 강으로 제작될 수 있고, 예를 들어 Crofer22, 460FC, STS444 등으로 제작될 수 있다. 제1 금속박판(31)과 제2 금속박판(32) 각각의 두께는 대략 0.5mm 이상 5mm이하일 수 있으며, 이들의 두께는 면압판(30)의 최종 두께와 디자인에 따라 다양하게 변할 수 있다.
면압판(30)에는 스택 체결을 위해 장볼트가 관통하는 복수의 체결 홀(34)이 마련되어야 한다. 이를 위해 제1 금속박판(31)과 제2 금속박판(32)을 가공할 때, 제1 금속박판(31)의 네 코너측과 제2 금속박판(32)의 네 코너측에 펀칭 작업으로 복수의 체결 홀(34)을 형성할 수 있다.
제2 단계(S200)에서, 복수의 제1 금속박판(31)과 적어도 하나의 제2 금속박판(32)이 상호 적층된다. 이때 제2 금속박판(32)은 면압판(30)의 최상측 또는 최하측에 위치하지 않도록 복수의 제1 금속박판(31)의 사이에 위치할 수 있다. 도 4에서는 제2 금속박판(32)의 위쪽과 아래쪽에 각각 두 개의 제1 금속박판(31)이 위치하는 경우를 도시하였다.
제2 단계(S200)의 적층 과정과 제3 단계(S300)의 접합 과정에서 복수의 제1 금속박판(31)과 적어도 하나의 제2 금속박판(32)이 변형되지 않도록 복수의 변형 방지봉(35)이 사용될 수 있다. 이를 위해 제1 단계(S100)에서 제1 금속박판(31)과 제2 금속박판(32)을 가공할 때, 제1 금속박판(31)과 제2 금속박판(32)의 모서리에 펀칭 작업으로 변형 방지봉(35)이 끼워지는 복수의 관통 홀(36)을 형성할 수 있다.
변형 방지봉(35)은 예를 들어 네 개로 구비될 수 있으며, 네 개의 변형 방지봉(35)이 제1 및 제2 금속박판들(31, 32)의 두 장변측 모서리 중앙과, 두 단변측 모서리 중앙에 각각 끼워질 수 있다. 복수의 제1 금속박판(31)과 적어도 하나의 제2 금속박판(32)이 변형 방지봉(35)에 끼워져 적층됨에 따라, 적층 과정에서 위치가 흐트러지지 않고 적층 형태를 그대로 유지할 수 있다.
변형 방지봉(35)은 페라이트계 스테인리스 강보다 고온에서 항복강도가 높은 소재로 제작된다. 일반적으로 페라이트계 스테인리스 강은 700℃에서 100MPa 내지 150MPa의 항복강도를 가진다. 변형 방지봉(35)은 700℃에서 400MPa 정도의 항복강도를 가지는 니켈-크롬 합금강으로 구성될 수 있으며, 예를 들어 인코넬625로 제작될 수 있다. 인코넬625는 몰리브덴과 니오븀이 추가된 니켈-크롬 합금강으로서, 우수한 기계적 특성과 내식성을 가진다.
제3 단계(S300)에서, 복수의 제1 금속박판(31)과 적어도 하나의 제2 금속박판(32)은 확산 접합과 브레이징 접합 중 어느 하나의 방법으로 접합된다. 확산 접합은 금속 재료를 밀착시켜 접합면 사이에서 발생하는 원자의 확산을 이용하는 접합 기술이다. 브레이징 접합은 모재의 용융점 이하의 온도에서 접합부를 가열하여 모재는 녹이지 않고 용가재만 녹여 모재를 접합하는 기술이다.
확산 접합은 접합 후의 열응력이나 변형이 적고, 조직 변화에 의한 재료의 열화가 적은 특징이 있다. 브레이징 접합 또한 접합 강도가 우수하고, 작업 용이성 및 경제성이 우수하며, 모재의 변형이나 잔류응력이 거의 없는 특징이 있다.
예를 들어, 확산 접합은 적층된 금속박판들(31, 32)을 가열하고, 한 쌍의 가압판을 이용하여 적층된 금속박판들(31, 32)에 강한 압력을 인가하는 과정으로 이루어질 수 있다. 이때 공정은 5×10-5torr 이하의 진공 분위기나 산소농도 0.1% 이하의 불활성 분위기에서 진행될 수 있고, 온도는 800℃ 이상일 수 있으며, 면압은 5MPa 이상일 수 있다. 이 조건을 만족할 때 금속박판들(31, 32)의 서로 마주하는 계면에서 산화피막이 형성되는 것을 억제할 수 있다.
도 1과 도 4을 참고하면, 일 실시예에 따른 면압판(30)은 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합된 복수의 제1 금속박판(31)과 적어도 하나의 제2 금속박판(32)의 적층체로 이루어지며, 적어도 하나의 제2 금속박판(32)은 제1 금속박판(31)과 달리 스트립 형상의 전류 단자(33)를 일체로 구비한다. 또한, 면압판(30)은 복수의 금속박판(31, 32)을 관통하는 변형 방지봉(35)을 구비하며, 변형 방지봉(35)은 확산 접합 또는 브레이징 접합 과정에서 금속박판들(31, 32)의 변형을 방지한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 블록의 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 블록의 제조 과정을 나타낸 개략도이며, 도 7은 도 6의 I-I선을 기준으로 절개한 매니폴드 블록의 단면도이다.
도 5 내지 도 7을 참고하면, 일 실시예에 따른 매니폴드 블록의 제조 방법은, 적어도 하나의 제3 금속박판과 가스 채널방이 형성된 복수의 제4 금속박판과 가스확산 홀이 형성된 제5 금속박판을 제작하는 제4 단계(S400)와, 적어도 하나의 제3 금속박판과 복수의 제4 금속박판 및 제5 금속박판을 적층하는 제5 단계(S500)와, 확산 접합과 브레이징 접합 중 어느 하나의 방법을 이용하여 적어도 하나의 제3 금속박판과 복수의 제4 금속박판 및 제5 금속박판을 일체로 접합하는 제6 단계(S600)를 포함한다.
제4 단계(S400)에서, 일정 두께의 판재를 직사각 형상으로 절단 가공하여 적어도 하나의 제3 금속박판(41), 복수의 제4 금속박판(42), 및 제5 금속박판(43)을 제작한다. 제3 내지 제5 금속박판(41, 42, 43)은 같은 모양과 같은 크기를 가진다. 적어도 하나의 제3 금속박판(41)은 홀이 없는 직사각 형상의 판재로 이루어진다.
복수의 제4 금속박판(42) 각각에 펀칭 작업으로 적어도 두 개의 가스 채널방(44)을 형성한다. 두 개의 가스 채널방(44)은 제4 금속박판(42)의 두 단변측 모서리 안쪽에 위치할 수 있으며, 제4 금속박판(42)의 단변과 나란한 막대 모양일 수 있다. 두 개의 가스 채널방(44)은 서로 같은 모양과 같은 크기로 형성될 수 있다. 두 개의 가스 채널방(44) 중 하나는 반응가스를 주입하기 위한 입구 채널방으로 기능하고, 다른 하나는 남은 반응가스를 배출하기 위한 출구 채널방으로 기능한다.
복수의 제4 금속박판(42) 중 적어도 하나의 제4 금속박판(42)에 파이프 연결을 위한 연결 채널(45)이 위치할 수 있다. 이를 위해 적어도 하나의 제4 금속박판(42)을 펀칭 작업할 때, 가스 채널방(44)과 이어진 연결 채널(45)을 함께 형성할 수 있다. 연결 채널(45)은 가스 채널방(44)을 제4 금속박판(42)의 외부와 통하게 하는 열린 부분으로서, 가스 채널방(44)의 중앙과 통할 수 있다. 적어도 하나의 제4 금속박판(42)에서 두 개의 연결 채널(45)이 서로 반대측에 위치할 수 있다.
제5 금속박판(43)에 방전 가공, 프레스 펀칭, 화학적 에칭 중 어느 하나의 방법으로 복수의 가스확산 홀을 형성한다. 도 6에서 도면부호 46은 복수의 가스확산 홀이 형성된 가스확산 영역을 나타낸다. 가스확산 영역(46)의 위치는 제4 금속박판(42)에 형성된 가스 채널방(44)의 위치와 동일하며, 다만 가스확산 영역(46)의 폭은 제4 금속박판(42)에 형성된 가스 채널방(44)의 폭보다 작을 수 있다.
도 6에서는 하나의 제3 금속박판(41)과 네 개의 제4 금속박판(42) 및 하나의 제5 금속박판(43)이 적층되는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 제3 내지 제5 금속박판(41, 42, 43)의 개수는 도시한 예시로 한정되지 않는다.
또한, 도 6에서는 제5 금속박판(43)에 두 개의 가스확산 영역(46)이 형성된 경우를 예로 들어 도시하였으나, 제4 금속박판(42)의 입구 채널과 마주하는 곳에만 가스확산 영역(46)이 형성될 수 있고, 제4 금속박판(42)의 출구 채널과 마주하는 곳에는 제4 금속박판(42)의 가스 채널방(44)과 동일한 형상의 가스 채널방이 형성될 수 있다.
전술한 제3 내지 제5 금속박판(41, 42, 43)은 페라이트계 스테인리스 강으로 제작될 수 있고, 예를 들어 Crofer22, 460FC, STS444 등으로 제작될 수 있다. 제3 내지 제5 금속박판(41, 42, 43) 각각의 두께는 대략 0.5mm 이상 5mm이하일 수 있으며, 이들의 두께는 매니폴드 블록의 최종 두께와 디자인에 따라 다양하게 변할 수 있다.
제5 단계(S500)에서, 적어도 하나의 제3 금속박판(41)과 복수의 제4 금속박판(42) 및 제5 금속박판(43)이 순서대로 적층된다. 제6 단계(S600)에서, 적층된 제3 내지 제5 금속박판(41, 42, 43)은 확산 접합과 브레이징 접합 중 어느 하나의 방법으로 접합된다.
예를 들어, 확산 접합은 적층된 금속박판들(41, 42, 43)을 가열하고, 한 쌍의 가압판을 이용하여 적층된 금속박판들(41, 42, 43)에 강한 압력을 인가하는 과정으로 이루어질 수 있다. 이때 공정은 5×10-5torr 이하의 진공 분위기나 산소농도 0.1% 이하의 불활성 분위기에서 진행될 수 있고, 온도는 800℃ 이상일 수 있으며, 면압은 5MPa 이상일 수 있다. 이 조건을 만족할 때 금속박판들(41, 42, 43)의 서로 마주하는 계면에서 산화피막이 형성되는 것을 억제할 수 있다.
제6 단계(S600) 이후, 매니폴드 블록(40)의 양 측면에 가스입구 파이프(51)와 가스출구 파이프(52)가 용접 등의 방법으로 고정될 수 있다. 가스입구 파이프(51)와 가스출구 파이프(52)는 적어도 하나의 제4 금속박판(42)에 형성된 두 개의 연결 채널(45)과 각각 이어진다.
일 실시예에 따른 매니폴드 블록(40)은 일체로 접합된 제3 내지 제5 금속박판(41, 42, 43)의 적층체로 이루어지며, 제3 내지 제5 금속박판(41, 42, 43)은 서로 다른 형상을 가진다. 즉, 제3 금속박판(41)은 바닥층으로서 홀이 없는 판재이고, 복수의 제4 금속박판(42)은 중간층으로서 내부에 가스 채널방(44)을 형성하며, 제5 금속박판(43)은 최상층으로서 가스 채널방(44)을 덮는 가스확산 영역(46)을 가진다.
가스확산 영역(46)의 폭은 가스 채널방(44)의 폭보다 작으며, 가스확산 영역(46)은 가스 채널방(44)의 중앙부 상측에 위치할 수 있다. 매니폴드 블록(40)의 가스 채널방(44)은 복수의 가스확산 홀을 통해서만 분리판(20)의 매니폴드와 통하는 부분적으로 닫힌 형태의 가스방이다. 매니폴드 블록(40)의 가스 채널방(44)은 반응가스를 균일하게 공급하는 기능을 한다. 이러한 매니폴드 블록(40)의 구조는 후판을 기계 가공하는 종래의 제조 방법으로는 만들 수 없는 구조이다.
일 실시예의 매니폴드 블록(40)은 제4 금속박판(42)의 가스 채널방(44)을 다양하게 변형하여 내부에 다양한 형상의 가스방을 만들 수 있다. 예를 들어, 복수의 제4 금속박판(42)에서 가스 채널방(44)은 모양과 크기 중 적어도 하나가 서로 다르게 형성될 수 있으며, 이 경우 매니폴드 블록(40)은 측면이 경사진 가스방을 용이하게 형성할 수 있다.
일 실시예의 매니폴드 블록(40)은 내부에 가스 채널방(44)을 형성하여 반응가스의 공급과 배출을 용이하게 할 수 있고, 복수의 가스확산 홀을 이용하여 연속 부품들에 반응가스를 균일하게 확산 공급함으로써 고체산화물 연료전지 스택(100)의 발전성능을 높이는데 기여할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 매니폴드 블록의 제조 과정을 나타낸 개략도이고, 도 9는 도 8에 도시한 매니폴드 블록 중 열교환판의 사시도로서 열교환판의 상면과 하면을 함께 도시하였다.
도 5와 도 8 및 도 9를 참고하면, 다른 일 실시예에 따른 매니폴드 블록(40A)의 제조 방법은 제4 단계(S400)에서 제4 금속박판(42)과 제5 금속박판(43) 사이에 적어도 하나의 열교환판(47)과 적어도 하나의 분리막(48, 49)이 추가 배치되는 것을 제외하고 전술한 일 실시예의 제조 방법과 동일하게 이루어진다.
열교환판(47)과 분리막(48, 49)은 제3 내지 제5 금속박판(41, 42, 43)과 같은 모양과 같은 크기를 가진다. 도 8에서는 제4 금속박판(42)과 제5 금속박판(43) 사이에 하나의 열교환판(47)과 두 개의 분리막(48, 49)이 추가 배치된 경우를 예로 들어 도시하였으나, 열교환판과 분리막의 개수는 도시한 예시로 한정되지 않는다.
분리막(48, 49)은 하나의 금속박판으로 구성될 수 있고, 열교환판(47)은 하나의 금속박판으로 구성되거나 적어도 두 개의 금속박판이 적층된 구성으로 이루어질 수 있다. 열교환판(47)과 분리막(48, 49)을 구성하는 금속박판은 페라이트계 스테인리스 강으로 제작될 수 있고, 예를 들어 Crofer22, 460FC, STS444 등으로 제작될 수 있다.
열교환판(47)은 연속 부품들로 공급될 예정인 반응가스(입구 반응가스)와, 복수의 단위전지를 거치고 나온 반응가스(출구 반응가스)를 열교환하는 기능을 한다. 이때 반응가스는 산소가스(공기)일 수 있으나, 이러한 예시로 한정되지 않는다. 복수의 단위전지를 거치고 나온 출구 반응가스는 고온의 배가스로서, 열교환판(47)을 거치면서 그 열을 입구 반응가스로 전달한다.
열교환판(47)의 양면 중 제4 금속박판(42)을 향한 일면(하면)에 제1 유로(CH1)가 위치할 수 있고, 제5 금속박판(43)을 향한 일면(상면)에 제2 유로(CH2)가 위치할 수 있다. 그리고 열교환판(47)의 양측 모서리에 제1 유로(CH1)와 이어지는 복수의 제1 개구(OP1)와, 제2 유로(CH2)와 이어지는 복수의 제2 개구(OP2)가 위치할 수 있다. 제1 유로(CH1)와 제2 유로(CH2) 중 어느 하나에 입구 반응가스가 흐르고, 다른 하나에 출구 반응가스가 흐른다.
분리막(48, 49)은 제4 금속박판(42)과 열교환판(47) 사이에 위치하는 제1 분리막(48)과, 열교환판(47)과 제5 금속박판(43) 사이에 위치하는 제2 분리막(49)으로 구성될 수 있다. 제1 분리막(48)과 제2 분리막(49)의 양측 모서리에는 제1 개구(OP1)와 제2 개구(OP2) 중 어느 하나와 통하는 제3 개구(OP3)가 위치할 수 있다. 분리막(48, 49)은 제3 개구(OP3) 이외의 다른 개구나 유로가 없는 평평한 판재로 이루어지며, 입구 반응가스와 출구 반응가스가 섞이는 것을 방지한다.
도 10과 도 11은 도 8에 도시한 매니폴드 블록의 열교환 과정을 설명하기 위한 고체산화물 연료전지 스택의 개략도이다.
도 10을 참고하면, 가스입구 파이프(51)를 통해 매니폴드 블록(40A)의 입구 채널(44a)에 유입된 입구 반응가스는 제1 분리막(48)의 제3 개구(OP3)와 열교환판(47)의 제1 개구(OP1)를 통해 열교환판(47)의 제1 유로(CH1)에 유입되고, 제1 유로(CH1)를 흐른 후 반대편 제1 개구(OP1)와 제2 분리막(49)의 제3 개구(OP3) 및 가스확산 영역(46)에 형성된 복수의 가스확산 홀을 통해 분리판의 입구 매니폴드(25a)로 공급된다.
입구 반응가스는 분리판의 입구 매니폴드(25a)를 통해 복수의 단위전지 각각에 공급되며, 단위전지의 화학반응에 사용되고 남은 미반응 가스(출구 반응가스)가 분리판의 출구 매니폴드(25b)로 모여 배출된다. 이때 출구 반응가스는 고온의 배가스이다.
도 11을 참고하면, 분리판의 출구 매니폴드(25b)로 수집된 출구 반응가스는 가스확산 영역(46)에 형성된 복수의 가스확산 홀과 제2 분리막(49)의 제3 개구(OP3) 및 열교환판(47)의 제2 개구(OP2)를 통해 열교환판(47)의 제2 유로(CH2)에 유입되고, 제2 유로(CH2)를 흐른 후 반대편 제2 개구(OP2)와 제1 분리막(48)의 제3 개구(OP3)를 통해 매니폴드 블록(40A)의 출구 채널(44b)에 유입되고, 가스출구 파이프(52)를 통해 외부로 배출된다.
입구 반응가스가 제1 유로(CH1)를 흐르고, 출구 반응가스가 제2 유로(CH2)를 흐르는 동안, 출구 반응가스의 열이 열교환판(47)을 통해 입구 반응가스로 전달되어 입구 반응가스의 온도가 상승한다. 가열된 입구 반응가스의 공급은 단위전지의 발전 성능을 높이는데 기여한다.
전술한 구성의 매니폴드 블록(40A)은 반응가스를 공급하고 배출하는 기본적인 기능에 더하여 입구 반응가스와 출구 반응가스를 열교환함으로써 입구 반응가스의 온도를 높인다. 따라서 매니폴드 블록(40A)을 구비한 고체산화물 연료전지 스택은 별도의 열교환기 없이 입구 반응가스의 온도를 높여 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
전술한 방법에 따르면, 다양한 디자인의 비연속 부품을 용이하게 제조할 수 있고, 면압판(30)의 고온 변형을 최소화할 수 있다. 또한, 매니폴드 블록(40) 내부에 다양한 형상의 가스 채널방(44)을 만들 수 있고, 매니폴드 블록(40A) 내부에 열교환판(47)을 내장함으로써 별도의 열교환기 없이 가열된 입구 반응가스를 복수의 단위전지(10)에 균일하게 공급할 수 있다. 고체산화물 연료전지 스택(100)은 경제성과 제조 공정의 양산성이 우수하며, 높은 내구성을 구현할 수 있다.
<비교예>
종래와 같이 하나의 후판으로 이루어진 면압판과 매니폴드 블록을 제작하였다. 구체적으로, 20mm 두께의 Crofer22 소재를 사용하여 기계가공 및 용접작업을 통해 면압판과 매니폴드 블록을 제작하였다. 면압판 전체의 가로 크기는 186mm이고, 세로 크기는 195mm이다. 단위전지는 10×10cm2의 크기를 가지는 자체 제작된 애노드 지지체형 셀이며, 단위전지를 4장 적층하였다. 분리판은 460FC 소재이며, 교차 흐름(cross folw) 형태의 유로를 가지는 에칭된 분리판을 사용하였다. 공기극층 집전체로는 니켈-메쉬를 사용하였고, 연료극층 집전체로는 코발트-니켈 폼을 사용하였다. 밀봉재로는 글라스-세라믹스 유리 밀봉재를 사용하였다.
최종으로 완성된 고체산화물 연료전지 스택을 700℃에서 500시간 동안 장기 운전을 하였고, 스택 내 반응가스의 균일 공급성을 보기 위해 단위전지들의 성능을 평가하였으며, 면압판의 고온 변형률을 측정하였다. 먼저, 연료 이용률 변화 측정 결과를 살펴보면, 전류밀도 400mA/cm2을 유지한 상태에서 연료 이용률 70%에서 4개의 단위전지 평균 전압은 0.69V에 표준편차 0.02V로 측정되었다. 500시간 운전 후 면압판의 고온 변형률은 약 350μm로 측정되었다.
<실시예>
5mm 두께의 페라이트계 박판을 4장 적층하고 확산 접합에 의해 면압판을 제조하였다. 변형 방지봉으로는 지름 2cm의 인코넬625를 사용하였다. 5mm 두께의 460FC 박판을 6장 적층하고 확산 접합에 의해 매니폴드 블록을 제조하였다. 매니폴드 블록의 내부에는 가스 채널방이 위치하며, 매니폴드 블록의 최상층에는 가스확산 홀이 위치한다. 매니폴드 블록의 가로 크기는 186cm이고, 세로 크기는 195mm이다. 단위전지, 분리판, 밀봉재, 공기극층 집전체, 및 연료극층 집전체 등의 연속 부품(RC)은 비교예와 동일한 것을 사용하였고, 단위전지 4장을 적층하였다.
최종으로 완성된 고체산화물 연료전지 스택을 700℃에서 500시간 동안 장기 운전을 하였고, 스택 내 반응가스의 균일 공급성을 보기 위해 단위전지들의 성능을 평가하였으며, 면압판의 고온 변형률을 측정하였다. 먼저, 연료 이용률 변화 측정 결과를 살펴보면, 전류밀도 400mA/cm2을 유지한 상태에서 연료 이용률 70%에서 4개의 단위전지 평균 전압은 0.82V에 표준편차 0.008V로 측정되었다. 500시간 운전 후 면압판의 고온 변형률은 약 50μm 이하로 측정되었다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 고체산화물 연료전지 스택 10: 단위전지
20: 분리판 30: 면압판
31: 제1 금속박판 32: 제2 금속박판
33: 전류 단자 40, 40A: 매니폴드 블록
41: 제3 금속박판 42: 제4 금속박판
43: 제5 금속박판 44: 가스 채널방
45: 연결 채널 46: 가스확산 영역
47: 열교환판 48: 제1 분리막
49: 제2 분리막 51: 가스입구 파이프
52: 가스출구 파이프

Claims (10)

  1. 상호 적층된 복수의 제1 금속박판;
    상기 복수의 제1 금속박판 사이에 위치하며, 전류 단자를 구비한 제2 금속박판; 및
    상기 복수의 제1 금속박판과 상기 제2 금속박판을 관통하며 상기 복수의 제1 금속박판 및 상기 제2 금속박판에 고정된 복수의 변형 방지봉을 포함하며,
    상기 복수의 제1 금속박판과 상기 제2 금속박판은 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합된 고체산화물 연료전지용 면압판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 변형 방지봉은 몰리브덴과 니오븀이 추가된 니켈-크롬 합금강으로 구성되는 고체산화물 연료전지용 면압판.
  3. 제3 금속박판;
    상기 제3 금속박판 상에서 상호 적층되며, 가스 채널방이 형성된 복수의 제4 금속박판; 및
    상기 복수의 제4 금속박판 상에 위치하며, 복수의 가스확산 홀이 형성된 가스확산 영역을 가지는 제5 금속박판을 포함하며,
    상기 제3 금속박판과 상기 복수의 제4 금속박판 및 상기 제5 금속박판은 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합되고, 상기 가스확산 영역은 상기 가스 채널방의 상측에 위치하는 고체산화물 연료전지용 매니폴드 블록.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제4 금속박판 중 적어도 하나의 제4 금속박판에 상기 가스 채널방과 이어진 연결 채널이 위치하고, 연결 채널은 가스입구 파이프와 가스출구 파이프 중 어느 하나와 연결되는 고체산화물 연료전지용 매니폴드 블록.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제4 금속박판 중 최상측 제4 금속박판과 상기 제5 금속박판 사이에 위치하며, 입구 반응가스와 출구 반응가스의 열교환을 위한 열교환판; 및
    상기 열교환판의 적어도 일면과 접하며, 입구 반응가스 및 출구 반응가스의 누설을 방지하는 분리막을 더 포함하는 고체산화물 연료전지용 매니폴드 블록.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 최상측 제4 금속박판, 상기 열교환판, 상기 분리막, 및 상기 제5 금속박판은 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합된 고체산화물 연료전지용 매니폴드 블록.
  7. 복수의 단위전지와 복수의 분리판을 포함하는 연속 부품 집합체와, 연속 부품 집합체에 면압을 가하는 면압판과, 연속 부품 집합체로 반응가스를 공급하는 매니폴드 블록을 포함하는 고체산화물 연료전지 스택에 있어서,
    상기 면압판은, 상호 적층되고 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합된 복수의 제1 금속박판 및 전류 단자를 구비한 제2 금속박판과, 복수의 제1 금속박판과 제2 금속박판을 관통하며 복수의 제1 금속박판과 제2 금속박판에 고정된 복수의 변형 방지봉을 포함하고,
    상기 매니폴드 블록은, 상호 적층되고 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합된 제3 금속박판과 가스 채널방이 형성된 복수의 제4 금속박판 및 복수의 가스확산 홀이 형성된 가스확산 영역을 가지는 제5 금속박판을 포함하는 고체산화물 연료전지 스택.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 변형 방지봉은 몰리브덴과 니오븀이 추가된 니켈-크롬 합금강으로 구성되는 고체산화물 연료전지 스택.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 제4 금속박판 중 적어도 하나의 제4 금속박판에 상기 가스 채널방과 이어진 연결 채널이 위치하고, 연결 채널은 가스입구 파이프와 가스출구 파이프 중 어느 하나와 연결되는 고체산화물 연료전지 스택.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 매니폴드 블록은,
    상기 복수의 제4 금속박판 중 최상측 제4 금속박판과 상기 제5 금속박판 사이에 위치하며, 입구 반응가스와 출구 반응가스의 열교환을 위한 열교환판; 및
    상기 열교환판의 적어도 일면과 접하며, 입구 반응가스 및 출구 반응가스의 누설을 방지하는 분리막을 더 포함하고,
    상기 최상측 제4 금속박판, 상기 열교환판, 상기 분리막, 및 상기 제5 금속박판은 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합된 고체산화물 연료전지 스택.
KR1020220085312A 2022-07-11 2022-07-11 고체산화물 연료전지용 면압판과 매니폴드 블록 및 이를 구비한 고체산화물 언료전지 스택 KR20240008203A (ko)

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