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KR100731330B1 - 용융탄산염 연료전지의 분리판 및 그의 제조방법 - Google Patents

용융탄산염 연료전지의 분리판 및 그의 제조방법 Download PDF

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KR100731330B1
KR100731330B1 KR1020060013152A KR20060013152A KR100731330B1 KR 100731330 B1 KR100731330 B1 KR 100731330B1 KR 1020060013152 A KR1020060013152 A KR 1020060013152A KR 20060013152 A KR20060013152 A KR 20060013152A KR 100731330 B1 KR100731330 B1 KR 100731330B1
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강동우
문길호
장인갑
이기풍
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두산중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 용융탄산염 연료전지를 구성하는 것으로, 특히 연료가스의 출입을 원활하게 하고, 연료가스의 개질을 동시에 수행하여 수소와 이산화탄소를 제조한 후, 애노드에 공급하며, 애노드 및 캐소드에서 발생된 전기의 흐름을 연결시켜 주는 기능을 하는 분리판 및 이를 간단하게 제조할 수 있는 분리판의 제조방법에 관한 것으로서, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 하나의 중심판(11)을 중심부와 주변부로 구분하여 중심부에는 가스의 유로 즉, 안내돌기(18)와 안내홈(19)들을 형성시키고, 주변부들은 절곡성형에 의해 측벽부들을 형성시키도록 성형작업을 함으로써 분리판을 구성하는 부품수를 최소한으로 줄여 용접부 등을 감소시킴으로써, 상기 측벽부들을 상기 중심판에 일체로 성형시킨 일체형으로 구성함으로써 기밀의 향상 및 용접부 등에서 문제될 수 있는 내식성의 향상 등을 가능하게 하는 것을 특징으로 한다.
연료전지, 용융탄산염, 분리판, 측벽부, 중심부, 주변부, 밀봉판, 밀봉체

Description

용융탄산염 연료전지의 분리판 및 그의 제조방법 {Separate plate for MCFC and manufacturing method thereof}
도 1은 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지의 분리판이 채용된 단위전지판의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 분리판의 제조를 위한 중심판의 절첩 전의 전개상태를 도시한 평면도이다.
도 3은 도 2의 중심판의 조립과정을 설명하기 위한 분해사시도이다.
도 4는 도 1의 단위전지판의 A-A선을 따라 절개하여 도시한 단면도이다.
도 5는 도 2의 중심판을 절첩하는 방법을 도시하는 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지의 분리판의 하나의 구체적인 제조공정을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지의 분리판의 다른 하나의 구체적인 제조공정을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 단위전지판 11 : 중심판
12 : 제1측벽 13 : 제2측벽
14 : 제1단부판 15 : 제3측벽
16 : 제4측벽 17 : 산화가스입구
18 : 안내돌기 19 : 안내홈
20 : 제5측벽부
30 : 애노드집전판 31 : 캐소드집전판
32 : 통공 40 : 애노드
41 : 캐소드 50 : 제1전해질매트릭스
51 : 제2전해질매트릭스
121 : 연료가스입구 131 : 연료가스출구
151 : 제2밀봉판 152 : 제3밀봉판
161 : 제4밀봉판 162 : 제5밀봉판
12A : 제1주변부 13A : 제2주변부
15A : 제3주변부 16A : 제4주변부
12-1, 13-1, 15-1, 16-1 : 제1면
12-2, 13-2, 15-2, 16-2 : 제2면
15-3, 16-3 : 제3면
본 발명은 용융탄산염 연료전지의 분리판 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 용융탄산염 연료전지를 구성하는 것으로, 특히 연료가 스의 출입을 원활하게 하고, 연료가스의 개질을 동시에 수행하여 수소와 이산화탄소를 제조한 후, 애노드에 공급하며, 애노드 및 캐소드에서 발생된 전기의 흐름을 연결시켜 주는 기능을 하는 분리판 및 이를 간단하게 제조할 수 있는 분리판의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 반응물의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 고효율, 저공해의 차세대 발전장치로 주목받고 있다.
H2+ CO3 2 - ↔ H2O + CO2 + 2e- (애노드 산화반응)
1/2O2 + CO2 + 2e- ↔ CO3 2 - (캐소드의 환원반응)
연료전지는 크게 구분하여 애노드와 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전해질매트릭스를 포함하여 이루어지며, 상기 전해질매트릭스 내에는 전해질이 함침되어 있어 이온의 흐름을 원활하게 한다. 즉, 상기 애노드에로 연료가스(통상 수소)가 주입되어 산화되고, 상기 캐소드에로 산소 또는 공기가 이산화탄소와 함께 공급되어 카보네이트 이온(CO3 2 -)을 만들고, 카보네이트 이온은 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전해질매트릭스를 통하여 캐소드에서 애노드로 이동되며, 전자는 외부회로를 경유하여 흐르게 된다. 따라서 연료전지 전체로 보면 수소와 산소의 산화-환원반응에서의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키게 된다. 이러한 이유로 고효율(통상의 열발전과 같이 물이나 기타 매질을 가열하고, 증기압 등으로 터빈을 회전시켜 기계적으로 발전시키는 열발전에서의 효율저하를 가져오는 카르노 사이클의 제한을 받지 않아 효율이 높음), 무공해(질산화물이나 황산화물을 배출하지 않음), 무소음(가동부가 없음), 모듈화(건설과 증설이 용이하고, 다양한 용량의 구성이 가능함), 다연료(수소, 석탄가스, 천연가스, 메탄올 및 휘발유 등 다양한 연료의 사용이 가능함) 및 열병합(고온연료전지의 경우 폐열을 활용하여 온수 등의 생산이 가능함)의 장점들을 갖는다.
특히 연료전지들 중 제2세대 연료전지로 불리우는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell ; 이하 ‘MCFC'라 한다)는 전해질로 리튬카보네이트(Lithium Carbonate)나 포타슘카보네이트(Potassium Carbonate) 같은 알칼리금속의 탄산염을 용융시킨 것을 사용하고, 애노드로 니켈 소결체, 캐소드로 리튬을 포함하는 산화니켈 소결체를 사용한다. 즉, 고온에서의 빠른 전기화학반응은 전극재료를 백금 대신 저렴한 니켈의 사용을 가능케 하여 경제성에서 유리할 뿐만 아니라, 백금전극에 좋지 않은 영향을 주는 일산화탄소마저도 수성가스 전환반응을 통하여 연료로 이용하는 니켈전극의 특성은 석탄가스, 천연가스, 메탄올, 바이오매스 등 다양한 연료 선택성을 제공한다. 그리고 회수열증기발전기(HRSG ; Heat Recovery Steam Generator) 등을 이용하여 양질의 고온 폐열을 회수 사용하면 전체 발전 시스템의 열효율을 약 60% 이상으로 향상시킬 수 있다. 또한, 용융탄산염 연료전지의 고온운전 특성은 연료전지 스택 내부에서 전기화학반응과 연료개질반응을 동시에 진행시키는 즉, 내부개질 형태의 채용이 가능하도록 하는 또 다른 장점을 제공한다. 이러한 내부개질형 용융탄산염 연료전지는 전기화학반응의 발열량을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 흡열반응인 개질반응에 이용하므로 외부개질형 용융탄산 염 연료전지보다 전체 시스템의 열효율이 추가로 증가하는 동시에 시스템 구성이 간단해지는 특성을 갖는다. MCFC는 전기를 생산하는 스택과, 연료공급장치와 같은 기계적 주변장치, 그리고 전기변환장치와 같은 전기적 주변장치로 크게 구성된다. 특히 스택은 MCFC의 발전효율과 수명 그리고 성능을 좌우하기 때문에 스택을 구성하는 분리판의 형상과 분리판 내부로의 연료공급방법에 대한 연구가 많이 진행되어 왔다.
그러나 이러한 장점을 갖는 MCFC는 고온의 조건 하에서 동작하고, 부식성이 높은 용융탄산염을 전해질로 사용하기 때문에 전지 내부의 구성성분들을 쉽게 부식시키는 단점이 있다. 특히, 분리판은 캐소드부와 애노드부로 구분하고, 이를 중심으로 전해질 매트릭스가 구분되어야 하며, 분리판을 기준으로 연료가스와 산화가스의 흐름이 구별되어야 하기 때문에 분리판의 부식이나 분리판에서의 누설 등은 연료전지 전체의 성능에 매우 큰 악영향을 줄 수 있다. 또한 MCFC의 분리판은 연속적으로 공급되는 천연가스 및 석탄가스와 같은 연료가스를 수소로 개질하여야 하는 기능을 가져야 한다.
기존의 MCFC 스택 분리판(국내 공고특허 제10-0259213호)은 주변기기 중 연료변환장치인 개질기에서 연료가스를 개질하여 생산한 수소와 이산화탄소가 분리판으로 이동하는 애노드부 매니폴더와, 공기와 이산화탄소가 이동하는 캐소드부 매니폴더를 가지며 이를 위하여 분리판의 동일면에 애노드부와 캐소드부의 매니폴더가 순차적으로 위치하는 특징을 가지고 있다. 또한 가스의 기밀성을 유지하기 위하여 매니폴더 양단간에는 전해질/매트릭스가 웨트씰부를 형성하고 있으며, 이를 통해 공급가스 혼합이 차단되고 공급된 가스는 쉴디드 슬롯 형태의 전류집전판을 통해 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이동하여 최종적으로 전기화학 반응이 일어나는 구조를 가지고 있다. 이때 애노드부와 캐소드부의 전극에서 발생한 산화 환원반응으로 전류가 생성되어 분리판을 따라 전류가 흐르게 된다. 상기와 같은 개념과 구조를 가진 분리판은 애노드와 캐소드로 분배되는 가스의 혼합을 막아야 하는 가스 기밀성이 대단히 중요하기 때문에 많은 용접공정이 소요되어 분리판의 형상이 복잡하며 이에 따라 제작단가가 높고, 비록 열처리를 행한다손 치더라도 분리판의 뒤틀림을 완전히 해결하지 못하기 때문에 스택적층 시, 균일한 응력분배와 치밀한 웨트씰부를 얻지 못한다는 단점이 있다. 게다가 외부 주변장치인 개질기에서 연료가스를 개질하여 수소를 공급하므로 공급가스에 의한 스택내부의 온도분포를 조절할 수가 없다는 문제점이 있다.
한편 기존의 분리판은 애노드부와 캐소드부의 가스를 완전히 구분하기 위하여 분리판 끝단과 매니폴더 가스출입부를 Nd-YAG 레이저로 용접하고 웨트씰부에 알루미늄를 주원소로 한 니켈, 티타늄, 크롬, 코퍼 등을 혼합한 물질이나 티타늄나이트라이드와 같은 세라믹 계열의 물질을 사용하여 내식성 코팅을 실시한 후, 환원분위기나 진공로에서 500 내지 600℃로 소정 시간동안 유지한 다음, 다시 700 내지 850℃ 까지 승온하여 알루미늄 확산층을 형성하는 열처리를 수행한다.
종래 코팅방법으로 행하여지고 있는 용융도금(Hot-dip)은 원하지 않은 부위의 마스킹이 어렵고 고온에서 작업이 이루어지므로 알루미늄 용탕에서 작업한 이후의 모재 변형을 막기 어려우며, 물리증착법(Physical Vapor Deposition)은 고품위 의 코팅층을 얻을 수는 있으나, 두께 증대가 어렵고 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 또한 확산침투법(Pack Cementation Method)은 1,000℃ 이상의 온도에서 작업이 이루어지므로 분리판의 변형과 모재의 상변화 등의 문제가 발생될 수 있으며, 용사의 경우에는 전처리를 위한 블라스팅이나 건의 압력에 의한 모재의 변형이나 기공이 잔존할 수 있고, 두께가 불균일하다는 문제점을 보이고 있다. 한편 슬러리 코팅(Slurry Coating)은 비용이 적게 들고, 다양한 형상도 손쉽게 코팅할 수 있다는 장점은 있으나, 슬러리 점도유지가 어려워 두께의 균일성이 떨어지고, 용매의 휘발 과정 중 남게 되는 기공을 제거하는 방법이 어려워 코팅층의 두께를 제한하고 있다.
이에 따라 본 발명은 기존의 MCFC 분리판과 상이한 개념을 가진 분리판을 제안하면서 분리판의 제조방법을 단순화시키면서도 MCFC의 스택 수명 감소의 연장할 수 있고, 스크린 프린팅 코팅법이 적용된 직접 내부 개질형 용융탄산염 연료전지 분리판(이하 DIR MCFC 분리판)을 제안한다.
본 발명의 목적은 연료가스의 출입을 원활하게 하고, 연료가스의 개질을 동시에 수행하며, 애노드 및 캐소드에서 발생된 전기의 흐름을 연결시켜 주는 기능을 하는 분리판 및 이를 간단하게 제조할 수 있는 분리판의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지의 분리판은, 중심판이 내식성의 금속판 으로 이루어지는 분리판에 있어서, 상기 중심판의 중심부를 그 표면과 이면 모두에 안내돌기와 안내홈이 형성되도록 주름구조 형상으로 가공되어 형성된 채널부와; 상기 채널부의 가장자리에 위치하며, 상기 중심판과 일체이며 서로 대향되는 제1주변부 및 제2주변부를 상방으로 절곡시키되, 상기 중심판의 중심부 쪽으로 향하여 개방된 상태의 ‘ㄷ'자 형상으로 절곡시켜 상기 중심판에 일체로 형성된 제1측벽부 및 제2측벽부와; 상기 중심판과 일체이며 서로 대향되는 제3주변부 및 제4주변부를 상방으로 절곡시켜 상기 중심판에 일체로 형성된 제3측벽부 및 제4측벽부를 포함하여 이루어지되, 상기 제1측벽부와 제2측벽부의 양측단부들 중 제4측벽부의 상방에 위치하는 단부들에 고정된 제1단부판과, 상기 제1측벽부와 제2측벽부의 양측단부들 중 제3측벽부의 상방 쪽의 단부들은 개방된 상태가 되도록 상기 중심판의 제3측벽부 쪽 가장자리에 상기 제1측벽부와 제2측벽부 사이에 위치하도록 고정된 제5측벽부와, 상기 제3측벽부의 개방된 단부들에 고정된 제2밀봉판 및 제3밀봉판, 그리고 상기 제4측벽부의 개방된 단부들에 고정된 제4밀봉판 및 제5밀봉판을 포함하여 이루어진다.
상기 안내돌기와 안내홈들은 연속되는 주름구조의 형상으로 성형되어 분리판 전면적에 유로가 분포되도록 유도한다.
본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지의 분리판의 제조방법은, 분리판의 제조에 있어서, (1) 중심판을 하나의 중심부와 이를 중심으로 사방으로 위치하는 4개의 주변부들이 형성되도록 재단하는 준비단계; (2) 상기 중심판의 중심부에 안내돌기와 안내홈들을 형성시키는 채널형성단계; (3) 상기 채널이 형성된 중심부를 니켈코 팅시키고, 주변부들을 내식코팅시키는 코팅단계; 및 (4) 상기 주변부들을 절곡시켜 측벽부들을 형성시키는 성형단계;들을 포함하여 이루어진다.
삭제
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지의 분리판은, 중심판이 내식성의 금속판으로 이루어지는 분리판에 있어서, 상기 중심판(11)의 중심부를 그 표면과 이면 모두에 안내돌기(18)와 안내홈(19)이 형성되도록 주름구조 형상으로 가공되어 형성된 채널부와; 상기 채널부의 가장자리에 위치하며, 상기 중심판(11)과 일체이며 서로 대향되는 제1주변부(12A) 및 제2주변부(13A)를 상방으로 절곡시키되, 상기 중심판(11)의 중심부 쪽으로 향하여 개방된 상태의 ‘ㄷ'자 형상으로 절곡시켜 상기 중심판(11)에 일체로 형성된 제1측벽부(12) 및 제2측벽부(13)와; 상기 중심판(11)과 일체이며 서로 대향되는 제3주변부(15A) 및 제4주변부(16A)를 상방으로 절곡시켜 상기 중심판(11)에 일체로 형성된 제3측벽부(15) 및 제4측벽부(16)를 포함하여 이루어지되, 상기 제1측벽부(12)와 제2측벽부(13)의 양측단부들 중 제4측벽부(16)의 상방에 위치하는 단부들에 고정된 제1단부판(14)과, 상기 제1측벽부(12)와 제2측벽부(13)의 양측단부들 중 제3측벽부(15)의 상방 쪽의 단부들은 개방된 상태가 되도록 상기 중심판(11)의 제3측벽부(15) 쪽 가장자리에 상기 제1측벽부(12)와 제2측벽부(13) 사이에 위치하도록 고정된 제5측벽부(20)와, 상기 제3측 벽부(15)의 개방된 단부들에 고정된 제2밀봉판(151) 및 제3밀봉판(152), 그리고 상기 제4측벽부(16)의 개방된 단부들에 고정된 제4밀봉판(161) 및 제5밀봉판(162)을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
즉 본 발명에 따른 분리판은 하나의 중심판(11)을 중심부와 주변부로 구분하여 중심부에는 가스의 유로 즉, 안내돌기(18)와 안내홈(19)들을 형성시키고, 주변부들은 절곡성형에 의해 측벽부들을 형성시키도록 성형작업을 함으로써 분리판을 구성하는 부품수를 최소한으로 줄여 용접부 등을 감소시킴으로써, 상기 측벽부들을 상기 중심판에 일체로 성형시킨 일체형으로 구성함으로써 기밀의 향상 및 용접부 등에서 문제될 수 있는 내식성의 향상 등을 가능하게 한다는 점에 특징이 있다고 할 수 있다.
상기 금속판은 스테인레스스틸 등과 같은 내식성 재질의 금속판으로서, 우선 도 2에 도시한 바와 같이 재단되며, 그 중심부가 그 표면과 이면 모두에 안내돌기(18)와 안내홈(19)이 형성되도록 주름구조 형상으로 가공된 채널부로 형성된다. 이들 안내돌기(18)와 안내홈(19)들은 상기 안내돌기(18)와 안내홈(19)들은 연속되는 주름구조의 형상으로 성형될 수 있으며, 도 1을 기준으로 볼 때, 표면에 해당하는 애노드부 쪽에서 볼 때 안내돌기(18)와 안내홈(19)으로 구분될 수 있으며, 역으로 이면을 기준으로 볼 때에는 이와 역형상의 구조가 된다. 이는 통상의 프레스가공 등에 의해 당업자가 용이하게 성형할 수 있음은 당연히 이해될 수 있는 것이다. 상기 중심판(11)을 구성하는 금속판의 중심부 즉, 상기 채널이 형성된 부분은 바람직하게는 니켈코팅이 수행되어 내식성을 향상시킬 수 있다. 여기서, 상기 니켈코팅이란 채널부의 내식성을 증가시키기 위해 니켈을 코팅하는 것으로, 이러한 니켈코팅은 통상의 전기도금법을 이용하여 실시할 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 채널부의 가장자리의 4개의 주변부들에 해당하는 제1주변부(12A), 제2주변부(13A), 제3주변부(15A) 및 제4주변부(16A)들은 각각 도 5에 나타낸 바와 같이 절곡되어 제1측벽부(12), 제2측벽부(13), 제3측벽부(15) 및 제4측벽부(16)들로 형성된다. 이때, 상기 제1주변부(12A)와 이에 대향되는 위치의 제2주변부(13A)들은 절곡선이 2개로 형성되어 있어 2회의 절곡이 이루어지며, 그에 따라 제1측벽부(12)와 제2측벽부(13)들은 일측면이 개방된 사각기둥의 형상으로 이루어지게 된다. 즉, 도 5를 기준으로 볼 때, 상기 제1측벽부(12)와 제2측벽부(13)는 상기 제1주변부(12A)와 제2주변부(13A)를 상방(UP) 쪽으로 절곡시키는 것에 의해 형성된다. 제2주변부(13A)를 기준으로 설명하면, 제1면(13-1)이 상기 중심판(11)에 대해 90°의 각도로 접혀지고, 제2면(13-2)이 상기 제1면(13-1)에 대해 역시 90°의 각도로 접혀지는 것에 의해 상기 중심판(11)의 중심부 쪽으로 향하여 개방된 상태의 ‘ㄷ'자 형상으로 형성되어 제2측벽부(13)를 구성하게 되고, 상기 제1주변부(12A) 역시 상기 제2주변부(13A)와 같은 방식으로 접혀지되, 제1측벽부(12)의 개방된 부분이 상기 제2측벽부(13)의 개방된 부분과 마주하도록 하여 형성된다.
또한, 도 5를 기준으로 볼 때, 상기 제3측벽부(15)와 제4측벽부(16)는 상기 제3주변부(15A)와 제4주변부(16A)를 하방(DOWN) 쪽으로 절곡시키는 것에 의해 형성된다. 제3주변부(15A)를 기준으로 설명하면, 제1면(15-1)이 상기 중심판(11)에 대해 90°의 각도로 접혀지고, 제2면(15-2)이 상기 제1면(15-1)에 대해 역시 90°의 각도로 접혀지고, 그리고 제3면(15-3)이 상기 제2면(15-2)에 대해 역시 90°의 각 도로 접혀지는 것에 의해 상기 제1측벽부(12) 및 제2측벽부(13)들과는 달리 사방이 모두 막힌 상태의 ‘ㅁ’자 형상으로 형성되어 제3측벽부(15)를 구성하게 되고, 상기 제4주변부(16A) 역시 상기 제3주변부(15A)와 같은 방식으로 접혀져서 제4측벽부(16)를 형성한다.
상기 도 5에 나타낸 바와 같이 주변부들을 절첩하여 측벽부들을 구성한 후, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 제1측벽부(12)와 제2측벽부(13)들의 일부를 폐쇄한다. 즉, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 제1측벽부(12)와 제2측벽부(13)의 양측단부들 중 제4측벽부(16)의 상방 쪽의 단부들에 제1단부판(14)을 고정시키고, 상기 제1측벽부(12)와 제2측벽부(13)의 양측단부들 중 제3측벽부(15)의 상방 쪽의 단부들은 개방된 상태를 유지하여 연료가스의 입구로 기능할 수 있도록 하기 위하여 상기 중심판(11)의 제3측벽부(15) 쪽 가장자리에 제5측벽부(20)를 취부시키되, 제5측벽부(20)가 상기 제1측벽부(12)와 제2측벽부(13) 사이에 위치하도록 취부시킨다. 그에 따라, 상기 제3측벽부(15)의 상방 쪽을 기준으로 볼 때, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 제1측벽부(12)를 구성하는 면들과 제5측벽부(20)의 측면들에 의해 연료가스입구(121)가 형성되고, 제2측벽부(13)를 구성하는 면들과 제5측벽부(20)의 측면들에 의해 연료가스출구(131)가 형성된다. 또한, 도 1 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 제1측벽부(12), 제2측벽부(13), 제1단부판(14) 및 제5측벽부(20)들로 둘러싸인 방향(도 5의 “UP"으로 표시된 방향)인 상기 중심판(11)의 상방 쪽으로 애노드집전판(30)과, 전극으로서의 애노드(40) 및 제1전해질매트릭스(50)들을 적층시켜 애노드부를 구성하게 된다. 마찬가지로, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 제3 측벽부(15) 및 제4측벽부(16)들이 형성된 방향(도 5의 ”DOWN"으로 표시된 방향)인 상기 중심판(11)의 하방 쪽으로 캐소드집전판(31)과, 전극으로서의 캐소드(41) 및 제2전해질매트릭스(51)들을 적층시켜 캐소드부를 구성하게 된다.
그에 따라, 도 1을 기준으로 볼 때, 상기 제1측벽부(12)의 연료가스입구(121)(대문자 “IN”으로 표시된 쪽)를 통해 들어온 연료가스는 상기 안내돌기(18)와 안내홈(19)들에 의해 형성되는 채널부를 경유하여 상기 제2측벽부(13)의 연료가스출구(131)(대문자 “OUT”으로 표시된 쪽)로 흐르게 되여 가스흐름이 180°의 변화를 보이도록 한다. 이러한 가스흐름은 연료전지의 동작 동안 발생되는 열에 의해 가열되는 분리판이 균일한 온도분포를 갖도록 기능한다. 또한 상기 제5측벽부(20)는 상기 제1측벽부(12) 및 제2측벽부(13)들과 함께 애노드부의 상방에 올려지는 집전판을 지지하는 기능을 한다. 상기 제5측벽부(20) 역시 상기 제1단부판(14)과 같이 용접 등에 의해 고정될 수 있다. 따라서 상기 연료가스입구(121)로 유입된 연료가스는 상기 안내돌기(18)와 안내홈(19)들이 형성된 중심판(11)의 표면과 접촉하면서 연료전지의 구동 동안에 발생하는 열 및 상기 중심판(11)의 표면에 코팅된 촉매들의 작용에 의해 개질되어 수소와 이산화탄소로 변환될 수 있으며, 변환된 수소와 이산화탄소는 애노드(40) 측에서 산화되고, 상기 캐소드(41)에로 산소 또는 공기가 공급되어 카보네이트 이온이 생성되고, 카보네이트 이온은 상기 애노드(40)와 캐소드(41) 사이에 위치하는 전해질매트릭스를 통하여 이동되며, 전자는 외부회로를 경유하여 흐르게 된다. 특히 개질반응은 연료가스가 애노드(40)의 입구에 연결되는 다기관(도면의 단순화를 위하여 도시하지 않음) 등에서 1차로 개질 반응이 일어나도록 한 후, 상기 애노드부를 구성하는 중심판(11) 부분에서 2차로 개질반응이 일어나도록 할 수 있다.
상기 제3주변부(15A)와 이에 대향되는 위치의 제4주변부(16A)들은 절곡선이 3개로 형성되어 있어 3회의 절곡이 이루어지며, 그에 따라, 도 3에 도시한 바와 같이, 제3측벽부(15)와 제4측벽부(16)들은 길이방향으로 연장되는 4면이 모두 밀폐된 사각형의 형상으로 이루어지게 되며, 그에 따라 상기 제3측벽부(15)와 그에 마주하는 위치에 형성되는 제4측벽부(16)들 사이에 가스 즉, 산화가스가 흐를 수 있게 된다. 상기 제3측벽부(15)와 제4측벽부(16)들은 상기 제1측벽부(12)와 제2측벽부(13)가 형성되는 표면에 반대되는 이면에 형성되게 된다. 상기 산화가스는 상기 안내돌기(18)와 안내홈(19)들에 의해 형성되는 채널부를 경유하여 반대쪽으로 흐를 수 있게 된다. 즉, 도 1을 기준으로 본다면 화살표로 표시되며, 제1측벽부(12) 측(소문자 in으로 표시된 쪽)에서 제2측벽부(13) 측(소문자 out으로 표시된 쪽)의 방향으로 산화가스가 흐르게 되며, 캐소드(41) 측에서 애노드(40)로부터 이동하여 온 수소이온(H+)을 환원시킨다.
상기 제3측벽부(15)와 제4측벽부(16)들은 각각 그 개방된 양단부들을 밀봉판에 의해 밀폐시킬 수 있다. 즉, 제3측벽부(15)의 개방된 양단부들은 제2밀봉판(151)과 제3밀봉판(152)의 고정에 의해 밀폐되며, 제4측벽부(16)의 개방된 양단부들은 제4밀봉판(161)과 제5밀봉판(162)의 고정에 의해 밀폐된다. 따라서 상기 산화가스가 한 방향으로 일정하게 흐를 수 있도록 기능한다. 상기 제2밀봉판(151), 제3밀봉판(152), 제4밀봉판(161) 및 제5밀봉판(162)들은 분리판의 제조 시 용접 등에 의해 고정될 수 있다. 상기 제3측벽부(15) 및 제4측벽부(16)들은 캐소드부의 상방에 올려지는 집전판을 지지하는 기능을 한다.
상기 제1측벽부(12), 제2측벽부(13), 제3측벽부(15) 및 제4측벽부(16)를 포함하는 각 주변부(12A,13A,15A,16A)에는 알루미늄, 니켈-알루미늄 또는 알루미늄-티타늄들로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 어느 하나의 내식물질을 코팅하여 특히 내식성을 향상시킬 수 있는 내식코팅을 실시한다. 이러한 내식코팅은 바람직하게는 스크린 프린팅법(screen printing method) 등과 같은 공지의 방법으로 실시되어 10 내지 100㎛의 두께의 범위에서 스크린과 측벽부 간의 높이에 따라 소정의 두께로 형성시킬 수 있다.
특히 상기 제1측벽부(12)와 제2측벽부(13) 사이에서의 연료가스의 흐름과 상기 제3측벽부(15)와 제4측벽부(16) 사이에서의 산화가스의 흐름이 동일방향의 코플로우(co-flow)를 형성하여 스택의 성능을 향상시키며, 분리판의 내구성과 수명을 향상시키게 된다.
상기한 바와 같은 분리판의 제조가 끝나면 도 1 및 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 애노드부 쪽으로는 상기 제1측벽부(12)와 제2측벽부(13) 및 제5측벽부(20) 위로 애노드집전판(30)을 위치시키고, 상기 애노드집전판(30) 위로 전극으로서의 애노드(40)를 위치시키고, 상기 애노드(40) 위로 제1전해질매트릭스(50)를 위치시킨다. 상기 애노드집전판(30)에는 다수의 통공(32)들이 형성되어 있으며, 이 통공(32)을 통하여 연료가스가 전극으로서의 애노드와 접촉할 수 있다. 또한, 상 기 캐소드부 쪽으로는 상기 제3측벽부(15)와 제4측벽부(16) 위로 캐소드집전판(31)을 위치시키고, 상기 캐소드집전판(31) 위로 전극으로서의 캐소드(41)를 위치시키고, 상기 캐소드(41) 위로 제2전해질매트릭스(51)를 위치시킨다. 이러한 적층에 의해 하나의 단위전지판(10)이 형성되고, 이러한 전지판들은 요구되는 용량 등에 따라 2개 이상 여러 개가 적층되어 하나의 모듈을 형성할 수 있으며, 상기 단위전지판(10)들을 기준으로 볼 때, 그 안의 분리판을 기준으로 하여, 하나의 분리판과 그 상방 또는 하방에 위치하게 되는 다른 하나의 분리판들 사이가 하나의 전지를 형성하게 된다. 즉, 하나의 전해질매트릭스를 기준으로 그 상방과 하방에 위치하게 되는 애노드부와 캐소드부가 음극과 양극으로 기능하여 하나의 단위전지를 구성하게 되며, 연료가스를 애노드부로 그리고 산화가스를 캐소드부로 각각 공급하는 일련의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 전기에너지로 변환시키게 된다.
또한 애노드부의 연료가스 분배부(12)에 가이드밴을 고정시켜 분리판 중심부로 균일한 유속을 갖는 연료가스를 공급시키고, 연료가스입구(121) 및 연료가스출구(131)에 연료가스의 공급을 위한 공급관(주로 다기관의 일부를 구성하는 공급관) 등이 용접 등에 의해 연결될 수 있으며, 상기 캐소드부로도 산화가스를 공급하는 다기관 등이 용접 등에 의해 연결될 수 있으며, 이들 다기관의 연결 등은 당업자에게는 용이하게 이해될 수 있는 것이다. 또한 가스 공급관은 플렌지로 외부 1차 개질 장치와 연결되며 전기적 절연을 위해 플렌지를 알루미나 세라믹으로 제작하여야 한다.
특히 상기 분리판의 애노드부 중심부에는 내식성을 높이기 위하여 니켈코팅 이 이루어지며, 그 위에 입상의 촉매를 로딩하거나 코팅하여 연료전지로 공급되는 연료가스가 수소가스가 아닌 천연가스 또는 석탄가스와 같은 연료가스가 공급되는 경우, 이를 수소와 이산화탄소로 직접 개질시켜 곧바로 발전에 사용할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지의 분리판의 제조방법은, 도 6에 나타낸 바와 같이, 분리판의 제조에 있어서, (1) 중심판(11)을 하나의 중심부와 이를 중심으로 사방으로 위치하는 4개의 주변부들이 형성되도록 재단하는 준비단계; (2) 상기 중심판(11)의 중심부에 안내돌기(18)와 안내홈(19)들을 형성시키는 채널형성단계; (3) 상기 채널이 형성된 중심부를 니켈코팅시키고, 주변부들을 내식코팅시키는 코팅단계; (4) 상기 주변부들을 절곡시켜 측벽부들을 형성시키는 성형단계; 및 (5) 상기 측벽부들에 의해 형성되는 애노드부와 캐소드부에 가스를 공급하는 공급관들을 용접시키는 용접단계;들을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 따르면 중심판(11)을 하나의 중심부와 이를 중심으로 사방으로 위치하는 4개의 주변부들이 형성되도록 재단하고, 상기 중심판(11)의 중심부에 안내돌기(18)와 안내홈(19)들을 형성시키는 것에 의해 채널을 형성시킨 후, 상기 주변부들을 절곡시켜 측벽부들을 형성시키는 것에 의해 하나의 중심판(11)을 가공 및 절곡시켜 분리판을 제조토록 함으로써 연료가스의 출입을 원활하게 하고, 연료가스의 개질을 동시에 수행하며, 애노드(40) 및 캐소드(41)에서 발생된 전기의 흐름을 연결시켜 주는 기능을 하는 분리판 및 이를 간단하게 제조할 수 있도록 함으로써, 분리판의 제조에서 부품수를 감소시키고, 그에 의해 용접수 등을 감소시켜 분리판의 내식성의 강화 등 신뢰도가 높은 분리판의 생산이 가능하도록 한 점에 특징이 있다.
상기 코팅단계 이후에 코팅층을 안정화시키기 위하여 가열하는 열처리단계가 더 수행될 수 있다.
삭제
또한 도 7에 나타낸 바와 같이, 그 순서를 어느 정도 달리하여도 본 발명에 따른 분리판의 제조에는 영향이 없으며, 분리판을 효율적으로 제조할 수 있음은 당연히 이해될 수 있는 것이다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지의 분리판은 하나의 금속판을 가공하고, 여기에 절곡에 의해 성형되지 않는 일부 부분들을 밀봉판들 및 밀봉체를 용접에 의해 고정시키는 것에 의해 형성될 수 있으며, 그에 의해 연료가스의 출입을 원활하게 하고, 연료가스의 개질을 동시에 수행하며, 애노드(40) 및 캐소드(41)에서 발생된 전기의 흐름을 연결시켜 주는 기능을 하는 분리판 및 이를 간단하게 제조할 수 있다.
따라서 본 발명에 의하면 연료가스를 분리판 내부에서 직접 개질하여 애노드(40)에 공급하는 기능을 갖는 것으로서, 흡열반응인 개질반응을 이용하여 연료전지의 내부온도를 조절할 수 있도록 하고, 그에 의해 연료전지 내부의 온도분포를 균일하게 조절할 수 있도록 함으로써 열응축 영역을 최소화하여 연료전지의 수명을 연장시킬 수 있고, 한 장의 중심판(11)을 사용하여 이를 절첩하는 공정을 이용하여 분리판을 성형하기 때문에 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 절첩하는 공정을 이용하여 분리판을 제조할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (4)

  1. 중심판이 내식성의 금속판으로 이루어지는 분리판에 있어서,
    상기 중심판의 중심부를 그 표면과 이면 모두에 안내돌기와 안내홈이 형성되도록 주름구조 형상으로 가공되어 형성된 채널부와; 상기 채널부의 가장자리에 위치하며, 상기 중심판과 일체이며 서로 대향되는 제1주변부 및 제2주변부를 상방으로 절곡시키되, 상기 중심판의 중심부 쪽으로 향하여 개방된 상태의 ‘ㄷ'자 형상으로 절곡시켜 상기 중심판에 일체로 형성된 제1측벽부 및 제2측벽부와; 상기 중심판과 일체이며 서로 대향되는 제3주변부 및 제4주변부를 상방으로 절곡시켜 상기 중심판에 일체로 형성된 제3측벽부 및 제4측벽부를 포함하여 이루어지되,
    상기 제1측벽부와 제2측벽부의 양측단부들 중 제4측벽부의 상방에 위치하는 단부들에 고정된 제1단부판과, 상기 제1측벽부와 제2측벽부의 양측단부들 중 제3측벽부의 상방 쪽의 단부들은 개방된 상태가 되도록 상기 중심판의 제3측벽부 쪽 가장자리에 상기 제1측벽부와 제2측벽부 사이에 위치하도록 고정된 제5측벽부와, 상기 제3측벽부의 개방된 단부들에 고정된 제2밀봉판 및 제3밀봉판, 그리고 상기 제4측벽부의 개방된 단부들에 고정된 제4밀봉판 및 제5밀봉판을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지의 분리판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안내돌기와 안내홈들은 연속되는 주름구조의 형상으로 성형되어 분리판 전면적에 유로가 분포되도록 유도하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지의 분리판.
  3. 분리판의 제조에 있어서,
    (1) 중심판을 하나의 중심부와 이를 중심으로 사방으로 위치하는 4개의 주변부들이 형성되도록 재단하는 준비단계;
    (2) 상기 중심판의 중심부에 안내돌기와 안내홈들을 형성시키는 채널형성단계;
    (3) 상기 채널이 형성된 중심부를 니켈코팅시키고, 주변부들을 내식코팅시키는 코팅단계; 및
    (4) 상기 주변부들을 절곡시켜 측벽부들을 형성시키는 성형단계;
    들을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지의 분리판의 제조방법.
  4. 삭제
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