KR100266264B1 - 용융탄산염형연료전지 - Google Patents

Abstract

목적 : 전지의 내부에서 천연가스 및 석탄가스를 전지의 연료인 수소로 개질하여 공급하는 용융탄산염형 연료전지에 관한 것으로서, 특히 연료 가스의 유로 입구에서 발생되는 흐름 저항과 압력 강하로 인하여, 비활성영역이 생기고 전지의 효율이 저하되는 문제점을 해소하고자 한다.

구성 : 분리판(14) 및 전해질 지지판(6)의 내부 매니폴드로(16)부터 인입되는 연료 가스의 유로(8) 일부에 90∼99％의 기공을 갖는 다공판(22)을 설치하고, 나머지 절반에 촉매(20)를 장착하여, 상기 다공판에 의해 원활하게 유도된 연료 가스가 비활성영역 없이 촉매의 전체로 분배 및 확산되어 활성화되도록 한다.

효과 : 상기한 연료 가스는 촉매의 전체에 걸쳐 최적의 상태로 분배되고 활성화되므로서, 전지의 연료인 수소로의 전환율이 향상되고, 수소의 공급율이 높아져 전지의 성능이 향상된다. 또한, 유로의 입구에서 흐름 저항이나 압력의 강하가 없어져, 압력차로 인한 전해질 지지판의 영향이 제거되고, 전지의 내구성이 향상된다.

Description

용융탄산염형 연료전지

본 발명은 천연가스 및 석탄가스가 전지내부에서 연료인 수소로 개질(改質)되는 직접 내부개질형 용융탄산염형 연료전지(이하 MCFC로 약칭함)에 관한 것으로서, 특히 연료 가스의 흐름을 원활히 하는 유로를 확보하여 그 가스의 분배를 최적화하고, 비활성영역이 없이 촉매의 전부가 개질 반응되도록 한 직접 내부개질형 연료전지에 관한 것이다.

MCFC는 캐소우드와 애노드의 사이에 전해질이 개재(介在)되어서, 캐소우드인 연료극에서 반응물의 산화 반응이 일어나 외부 회로에 전자를 공여하고, 애노드인 공기극에서 환원이 일어나 전자를 받아들임으로써 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어준다.

이러한 MCFC는 전해질로 탄산 리튬과 탄산칼륨 같은 탄산 알칼리를 용융하여 사용하고, 캐소우드로 니켈 소결체, 애노드는 리튬 함유 산화 니켈 소결체를 사용함이 일반적이다. 도 3은 MCFC의 종래 예로서 전지의 내부에서 천연가스 및 석탄가스를 연료인 수소로 직접 개질하는 직접 내부개질형 구조를 나타내고 있다.

예시된 직접 내부개질형 MCFC는 캐소우드(2)와 애노드(4)와 애노드(4)가 다수 번갈아 대향 배치되고 그 사이에는 전해질 지지판(6)이 개재된 구성으로 되어 있으며, 상기 캐소우드(2)와 애노드(4) 사이에는 유로(8)를 통해 인도되는 연료가스를 개질시키기 위한 촉매(10)가 수용되어서 외부로부터 유로(8)를 통해 연속 공급되는 연료가스는 물을 통하여 수소로 개질된 다음, 애노드(4)에서 산화 반응되어 전자를 방출하게 되고, 또 캐소우드(2)에서 환원 반응되어 전자를 받아들임으로써 전기 에너지를 발생하는 구조로 되어 있다.

이와 같은 구성의 직접 내부개질형 MCFC는 외부개질형에 비해 제조가 용이하고 제조 단가가 저렴한 이점을 가진다. 그러나 촉매(10)의 수용 밀도가 각유로(8) 마다 균일하지 않기 때문에 어느 유로(8)에서는 인도된 연료 가스의 흐름이 촉매(10)와 만나면서 정체되어 느리게 통과하고, 어느 유로(8)에서 빠르게 통과하는 등, 연료 가스의 흐름 압력 변화가 생기게 된다. 이와 같은 압력 변화는 연료 가스의 분배를 방해하여 각 유로 입구에서의 압력 차로 나타나 공급되는 연료 가스의 국부적 압력 강하를 초래함은 물론 전해질 지지판(6)을 변형 시키는 힘으로 작용하여 기밀성을 저하시키게 되고, 또한 연료 가스의 정체로 인하여 전체 촉매 활성영역의 10% 정도가 비활성영역화 하게 되어 개질 반응 감소에 따른 전지의 성능 저하가 초래되는 문제를 가지고 있다.

본 발명의 목적은 유로의 입구측에서 연료 가스에 의한 압력 발생이 균일하게 이루어지도록 하여 상술한 종래의 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 용융 탄산염형 연료전지를 제공함에 있다.

상기의 목적을 구현하는 본 발명은 연료 가스의 유로에 촉매를 장착하여 천연가스 및 석탄가스를 전지의 연료인 수소로 개질하여 공급하는 직접 내부개질형 MCFC에 있어서, 상기 연료 가스의 유로 일부에 90~99%의 기공을 갖는 다공판을 설치하고, 그 상부나 하부에 촉매를 장착하여, 상기 다공판을 따라 연료 가스가 유도되어서 원활하게 흐르도록 한 구성으로 이루어진다.

따라서, 다공판에 의해 유도되는 연료 가스는 촉매의 전체에 걸쳐 최적의 상태로 분배되고 활성화되어, 비활성영역이 없이 전체 촉매로 확산되며, 개질 반응이 촉진되어 전지의 연료인 수소로의 전환율이 향상되고, 수소의 공급율이 높아져 전지와 성능을 향상시킨다.

또한, 상기한 연료 가스는 다공판으로 형성된 유로에 의해 흐름 저항이나 압력의 강하 없이 원활하게 유도되므로서, 압력차로 인한 전해질 지지판의 영향이 제거되고, 전지의 내구성이 향상된다.

도 1은 본 발명에 관련된 용융탄산염형 연료전지를 보인 분해 사시도.

도 2는 본 발명에 관련된 용융탄산염형 연료전지를 보인 단면도.

도 3은 종래 공지된 용융탄산염형 연료전지를 보인 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

2 : 캐소우드 4 : 애노드

6 : 전해질 지지판 14 : 분리판

8 : 유로 18 : 매니폴드로

20 : 촉매 22 : 다공판

이하, 본 발명을 실현하기 위한 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

한편, 첨부된 도면에 있어서 종래 기술에서 인용된 도면과 동일한 구성에 대하여는 설명의 중복을 피하기 위해 동일 부호를 사용하기로 한다.

도 1 및 도 2에 자세히 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 직접 내부개질형 MCFC는 다공성의 캐소우드(2)와 애노드(4)가 번갈아 다수 대향 배치되고 그 사이에는 전해질 지지판(6)이 개재된 구성으로 되어 있다.

또한, 상기 캐소우드(2)와 애노드(4)에는 각각 집전체(12a, 12b)가 밀착 설치된 채로 분리판(14) 및 전해질 지지판(6)에 의해 지지되어서 하나의 단전지를 형성하고 있게 된다.

상기 분리판(14)과 전해질 지지판(6)에 마련된 매니폴드로(16)를 통해 공급되는 천연가스 및 석탄가스와 같은 연료 가스(18)를 수소로 개질하기 위하여 상기 애노드(4)와 분리판(14) 사이로 촉매(20)가 수용되는 바, 이 촉매(20)가 연료 가스(18)와 접하는 통로 상에 설치된 다공판(22)에 의해 격리상으로 수용되어 있다.

상술한 구성에서, 연료 가스(18)는 가스 주입구(16')를 통해 인도된다.

연료 가스(18)가 인도되어 매니폴드로(16)를 타고 들어 와 각 유로(8)로 분배되는 과정에서 상기 연료 가스(18)는 가장 먼저 다공판(22)과 접하면서 압력 변화를 일으키게 되며, 이렇게 다공판(22)에 의해 발생되는 압력 변화는 모든 유로(8)에서 동일하게 나타난다.

또, 상기 연료 가스(18)는 다공판(22)에 의해 흐름 속도가 일정하게 조절되기 때문에 촉매(20)를 통과하는 연료 가스의 량은 상기 촉매(20) 88와 반응하게 되는 것이므로 이 촉매(20)에 의한 수소 개질 반응도 모든 촉매(20)에서 균일하게 진행된다.

상기 다공판(22)은 본 발명에서 니켈을 재질로 하여 90~99%의 개구율을 가지는 판상으로 형성되고, 또한 다공판(22)은 적어도 유로(8)의 ⅓에 해당하는 두께를 가지며 상기 유로(8)의 입구를 차단하면서 출구는 개방시켜 놓는 구조로 설치된다.

상기와 같은 구성의 다공판(22)은 개구율이 높아 촉매(20)에 비해 흐름 저항이 낮기 때문에 연료 가스(18)의 흐름을 일정하게 조절함과 동시에 원활하게 유도하는 작용을 낳게 된다.

결과적으로 본 발명에서 연료 가스(18)는 다공판(22)과 접하면서 그 흐름 속도가 지연되지만, 이러한 현상은 모든 유로(8)에서 공통으로 나타나기 때문에 압력 저하로 인한 전해질 지지판(6)의 변형 등은 발생하지 않아 전지의 기밀성은 그대로 유지된다. 그리고 본 발명에 관련된 연료전지는 압력 강하가 초래되더라도 종래의 MCFC와는 달리 연료 가스의 정체로 인한 비활성영역이 생기지 않고 연료 가스의 개질 반응이 촉진되기 때문에 전지의 효율이 향상되어진다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 관련된 MCFC는 외부에서 공급되는 연료 가스가 다공판으로 유도되어 촉매의 전체에 걸쳐 최적의 상태로 분배 및 확산되도록 하므로서, 촉매의 활성영역이 증가되도록 하고 개질 반응이 촉진되도록 하여, 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 다공판에 의해 연료 가스의 흐름 저항이 감소되고, 압력 강하는 모든 유로의 입구에서 발생되어 MCFC 내부의 국부적 압력 차가 생가지 않게 되는 것이므로 전해질 지지판의 변형도 초래되지 않아 전지의 기밀성과 내구성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (4)

1. 캐소우드와 애노드 및 그 사이에 개재되는 전해질이 분리판과 전해질 지지판에 의해 지지되고, 상기 분리판과 전해질 지지판의 매니폴드를 통해 공급되는 연료 가스가 상기 캐소우드와 애노드의 사이에 형성된 유로의 내부에 장착된 촉매를 통해 전지의 연료인 수소로 전환되어 공급되도록 하는 용융탄산염형 MCFC에 있어서,

   상기 유로의 입구측에 다공판을 배치하여 공급되는 연료 가스가 상기 다공판에 의해 흐름 조절되도록 한 구성을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 다공판은 90∼99％의 기공을 갖는 것을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 다공판은 니켈 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 다공판은 적어도 유로의 내경에 ⅓의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지.

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