KR100519414B1 - 중앙분배형 분리판을 겸비한 용융탄산염 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융탄산염형 연료전지가 발전시에 발생되는 열에 의해 고온부가 형성되고, 이 고온부에 의해 다공질 전극의 구조변화, 액상 전해질의 증발 및 금속성 분리판의 부식 및 변형으로 인해 연료가스의 누설이 발생해 연료전지의 성능 및 수명을 단축시키는 것에 대해, 분리판의 중앙부에 상대적으로 유량이 훨씬 많은 산화제가스의 도입을 위한 산화제가스 도입 내부 매니폴드를 설치하고, 분리판의 양 측면에 반응 후 가스의 배출을 위한 산화제가스 배출 내부 매니폴드를 설치하여, 산화제가스의 유로 길이를 단축시켜 가스흐름에 의해 발생하는 압력을 감소시켜 다량의 산화제가스의 공급을 가능케 하여 고온부의 발생을 억제하며, 연료가스는 분리판의 한쪽 측면에 설치된 연료가스 도입 내부 매니폴드를 통해 공급되어 분리판의 반대쪽 측면에 설치된 연료가스 배출 내부 매니폴드를 통해 배출시켜, 분리판 및 스택의 구조를 단순화시킴으로 인해 발전플랜트로서 연료전지의 신뢰성 및 경제성을 향상시키기 위한 것이다.

Description

중앙분배형 분리판을 겸비한 용융탄산염 연료전지{Molten carbonate fuel cell with simplified central distribution separator}

본 발명은 중앙분배형 분리판을 겸비한 용융탄산염형 연료전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 분리판 중앙부에 상대적으로 유량이 훨씬 많은 산화제가스의 도입을 위한 내부 매니폴드를 설치하고, 분리판 양 측면에 반응 후 가스의 배출을 위한 내부 매니폴드를 설치하여, 산화제가스의 유로 길이를 단축시켜 가스흐름에 의해 발생하는 압력을 감소시켜 다량의 산화제가스의 공급을 가능케 하여 고온부의 발생을 억제하며, 연료가스는 분리판의 한쪽 측면에 설치된 내부 매니폴드를 통해 공급되어 반대편 측면에 설치된 내부 매니폴드를 통해 배출시켜, 분리판 및 스택의 구조를 단순화시킴으로 인해 발전플랜트로서 연료전지의 신뢰성 및 경제성을 향상시킬 수 있는 중앙분배형의 분리판을 사용하는 용융탄산염 연료전지에 관한 것이다.

근래, 고효율이고 환경 친화적인 연료전지 발전이 새로운 전기에너지원으로 각광받고 있다. 이러한 연료전지는 연료의 공급에 의해 지속적으로 발전하는 특성을 가지는 것으로서, 주로 연료로 수소를 사용하고, 산화제로 공기중의 산소를 사용하여 수소의 산화 및 산소의 환원과정을 통해 물을 발생시키며 발전하는 시스템이다.

특히, 용융탄산염형 연료전지는 탄산염으로 된 전해질이 고온에서 용융되어 전극반응을 일으키기 때문에 비교적 고온에서 발전하는 시스템으로서, 수소의 산화 및 산소의 환원에 고가의 귀금속 촉매가 필요하지 않아, 일산화탄소와 같은 피독성 가스의 사용이 용이하여, 석탄가스를 연료로 사용할 수 있다는 특징을 가지고 있으며, 고온의 폐열을 이용할 수 있어 효율이 높다는 특징을 가지고 있다.

이와 같은 용융탄산염형 연료전지는 전극반응을 원활히 진행하기 위해 넓은 표면적의 다공성 전극을 사용하며, 이 두 전극의 사이에 세라믹 다공체에 함침된 용융탄산염이 주로 수소로 구성된 연료와 산소와 이산화탄소로 구성된 산화제의 직접 접촉을 막아주며, 공기극에서 생성된 탄산이온(CO₃ ^2-)이 연료극으로 이동하는 통로의 역할을 수행하게 된다.

H₂ + CO₃ ^2- → H₂O + CO₂ + 2e- (연료극)

1/2O₂ + CO₂ + 2e- → CO₃ ^2- (공기극)

대개의 연료전지에서 효율을 향상시키기 위해 높은 연료 이용률 조건에서 운전하게 되며, 용융탄산염형 연료전지에서는 발전시 스택 냉각을 위해 낮은 산화제 이용률 조건에서 운전하게 된다. 그리고, 산화제로 공기중의 산소를 이용하므로 연료가스 유량에 비해 산화제 가스의 유량이 수배에 이르게 된다.

다른 모든 연료전지와 마찬가지로 용융탄산염형 연료전지도 단위전지의 이론기전력이 약 1V로서 낮고, 실제 사용하기에는 부적절하다. 이러한 단위전지를 직렬 연결하여, 전압을 상승시켜 적절한 용량의 발전시스템으로 구성하여 사용하게 된다. 즉, 한 쌍의 다공질 전극판(연료극 및 공기극)과 이들 사이에 알칼리탄산염이 함침된 전해질판으로 구성된 단위전지를 전도성의 분리판을 매개하여 적층한다. 이때 분리판은 각 단위전지간의 전기적인 접속을 제공함과 동시에 연료극에 연료가스의 유로와 공기극에 산화제가스의 유로를 제공하는 역할을 한다.

이와 같은 적층 구조의 연료전지는 반응가스의 분배 및 회수기능을 가지는 매니폴드가 필요하게 되는데, 반응에 필요한 가스는 입구 매니폴드를 통해 공급되어, 공기극 및 연료극 반응을 거친 후에 반대편 매니폴드를 통해 외부로 배출되게 된다. 그리고 각 단위전지의 주변부에는 전지내부 가스와 외부가스의 혼합을 방지하기 위한 용융탄산염에 의한 웨트실(wet seal)부가 형성되어 있다. 이 웨트실부는 매니폴드간의 누설을 방지한다.

그러나, 연료전지의 경우 연료가 가지는 에너지의 일부가 전기에너지로 변하게 되며, 나머지는 대개 열로 변하게 된다. 따라서 적층 연료전지의 경우 적층의 정도에 따라 발열량이 다르게 되나, 적층이 많아질수록 발열량이 많아져 가스의 출구부분에서 고온부가 발생하게 된다. 이러한 고온부는 연료전지 구성요소인 전극, 전해질 및 분리판에 악영향을 미치게 된다. 즉, 다공질 전극에 있어서 고온에 의한 다공 구조의 변화, 액상 전해질의 증발, 금속 분리판의 부식증대에 의해 전해질 소모 및 분리판의 변형, 그리고 이러한 원인에 의한 연료가스의 누설이 발생하여 연료전지 본체의 수명을 크게 단축시킬 수 있다.

이러한 고온부의 발생을 억제하기 위해 유량이 훨씬 많고 공기가 주성분인 산화제가스를 과잉으로 공급하는 방식을 주로 사용하고 있다. 그러나, 정해진 유로에서 과잉의 공기 공급은 유로에서의 가스 이동에 저항을 제공하여 압력의 상승을 유발시키게 된다. 용융탄산염형 연료전지는 다공성 세라믹에 함침된 전해질에 의해 웨트실(wet seal)의 형태로 연료 및 산화제가스가 격리되어 있다. 그러나 고온부 억제를 위해 과량의 산화제를 공급하면 유로에서 과다한 압력 상승이 일어나 웨트실(wet seal)이 파괴되어 연료가스의 누설이 일어나고, 연료전지 본체의 수명을 크게 제약할 수 있다.

예를 들어, 일본국 공개특허공보 소62-202,465호와 소61-248,364호는 연료전지 본체에 내부 및 외부 매니폴드를 사용하여 연료가스의 도입 및 배출은 내부 매니폴드를 이용하고, 가스량이 많아 냉각에 주로 사용되는 산화제가스는 외부 매니폴드를 사용하므로 긴 산화제가스 유로를 가지고 있다. 이들 시스템에서는 발전시에 고온부를 억제하기 위해 다량의 산화제가스를 사용해야 하고, 따라서 발생하는 압력에 의해 웨트실의 파괴와 이에 따르는 연료가스 누설을 피할 수 없는 점을 가지고 있다. 그리고, 한국공개특허공보 제 2003-32310호는 연료가스 및 산화제 가스를 모두 중앙에서 분배함에 따라 고온부 억제효과는 뛰어나나 분리판 구조 및 스택 구조가 복잡하게 되어 비경제적인 면을 가지고 있다.

이에 본 발명은 종래 기술이 가지지 못하는 연료전지 본체의 고온부 억제효과와 분리판 및 스택구조가 단순화된 중앙분배형 분리판을 겸비한 용융탄산염 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 또한 용융탄산염형 연료전지의 수명에 크게 영향을 미치는 고온부의 발생을 억제하고, 복잡한 구조의 분리판의 사용에 따른 연료전지의 비경제성을 해결할 수 있는 중앙분배형 분리판을 겸비한 용융탄산염 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

본 발명은 한 쌍의 공기극 다공질 전극판과 한 쌍의 연료극 다공질 전극판의 사이에 전해질판이 위치하여 구성된 단위전지가 분리판을 매개로 하여 복수개가 적층되어서 이루어지고, 상기 분리판은 산화제 및 연료가스가 유로를 거치면서 반응할 수 있도록 센타 플레이트를 중심으로 상부에 연료극쪽 마스크 플레이트와 하부에 공기극쪽 마스크 플레이트로 구성되어 있는 용융탄산염형 연료전지로서, 상기 분리판의 중앙부에 위치한 산화제가스 도입 내부 매니폴드를 통해서 산화제가스가 도입되어 유로를 거치면서 반응한 후, 상기 분리판의 양 측면에 위치한 산화제가스 배출 내부 매니폴드를 통해서 배출될 수 있도록 상기 산화제가스용 내부 매니폴드에 각각 산화제가스 도입 및 배출 매니폴드가 각각 연결 설치되어 있고, 상기 분리판의 한 측면에 위치한 연료가스 도입 내부 매니폴드를 통해서 연료가스가 도입되어 유로를 거치면서 반응한 후, 상기 분리판의 다른 반대편 측면에 위치한 연료가스 배출 내부 매니폴드로 배출될 수 있도록 연료가스 도입 및 배출 매니폴드가 각각 연결 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

특히, 본 발명의 용융탄산염형 연료전지는 상기 분리판의 양 측면의 내부 매니폴드의 단면적이 상기 분리판의 중앙부의 상기 산화제가스 도입 내부 매니폴드보다 작게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명은 유량이 상대적으로 많아 고온부 발생을 억제해 줄 수 있는 산화제가스를 연료전지 본체의 중앙부에 위치한 산화제가스 도입 내부 매니폴드를 통해 공급하여 공기극을 흐르게 하고, 발전에 필요한 반응이 끝난 산화제 가스는 분리판의 양 측면에 위치한 산화제가스 배출 내부 매니폴드를 통하여 배출되게 하며, 상대적으로 유량이 작은 연료가스는 분리판의 한쪽 끝에 위치한 연료가스 도입 내부 매니폴드에서 공급하여 연료극을 통과시킨 후, 분리판의 반대쪽 끝에 위치한 연료가스 배출 내부 매니폴드를 통하여 배출되게 하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명은 용융탄산염형 연료전지가 발전시에 발생되는 열에 의해 고온부가 형성되고, 이 고온부에 의해 다공질 전극의 구조변화, 액상 전해질의 증발 및 금속성 분리판의 부식 및 변형으로 인해 연료가스의 누설이 발생해 연료전지의 성능 및 수명을 단축시키는 것에 대해, 분리판의 중앙부에 상대적으로 유량이 훨씬 많은 산화제가스의 도입을 위한 산화제가스 도입 내부 매니폴드를 설치하고, 분리판의 양 측면에 반응 후 가스의 배출을 위한 산화제가스 배출 내부 매니폴드를 설치하여, 산화제가스의 유로 길이를 단축시켜 가스흐름에 의해 발생하는 압력을 감소시켜 다량의 산화제가스의 공급을 가능케 하고, 고온부의 발생을 억제하며, 연료가스는 분리판의 한쪽 측면에 설치된 연료가스 도입 내부 매니폴드를 통해 공급되어 분리판의 반대편 측면에 설치된 연료가스 배출 내부 매니폴드를 통해 배출시켜, 분리판 및 스택의 구조를 단순화시킴으로 인해 발전플랜트로서 연료전지의 신뢰성 및 경제성을 향상시키기 위한 것이다.

첨부 도면 중 도 1은 본 발명에 따른 실시예에 해당하는 용융탄산염형 연료전지의 개략적인 구성을 나타내기 위한 분리 사시도이고, 도 2는 도 1의 연료전지에 있어서 분리판의 일부 절개 사시도이며, 도 3은 도 2의 분리판의 평면도이고, 도 4a는 도 3의 A-A선에 따른 연료전지의 단면도이고, 도 4b는 도 3의 B-B선에 따른 연료전지의 단면도이다.

도 1에 있어서, 부호 1은 전체가 장방형인 적층구조의 연료전지 본체이다. 이 연료전지 본체(1)는 상부 엔드 플레이트(2a)와 하부 엔드 플레이트(2b)의 사이에, 복수의 단위전지(8)가 분리판(3)을 매개로 하여 적층되어 있는 구조로 이루어진 것이다.

단위전지(8)는 니켈계 함금으로 이루어진 한 쌍의 공기극 다공질 전극판(9a와 9b), 그리고 니켈계 합금으로 이루어진 한 쌍의 연료극 다공질 전극판(11a와 11b)의 사이에 전해질판(10)이 위치하여 구성되어 있다. 공기극(9a와 9b) 및 연료극(11a와 11b)은 소정의 간격(D)을 두고 분할되어 있다. 전해질판(10)은 예를 들면 탄산리튬이나 탄산칼륨 등을 혼합해서 만든 용융염 전해질을 리튬알루미네이트 등의 세라믹계 담지체에 함침시킨 것이다.

분리판(3)은 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 연료극쪽 마스크 플레이트(4a)와 공기극쪽 마스크 플레이트(4b)의 사이에 가스가 지나갈 수 있게 만든 연료극 주름판(5a와 5b) 그리고 공기극 주름판 (7a와 7b)이 센타 플레이트(6)를 사이에 두고 위치하고 있다. 공기극 및 연료극 마스크 플레이트는 전해질판(10)과 직접 접촉하는 부분으로서 연료전지가 정상 작동시에 부식성의 용융탄산염 전해질에 노출되는 부분이다. 이 부분의 부식을 방지하고자 마스크 플레이트는, 예컨대 스텐레스강 (STS 316 등)의 표면에 전해질판(10)과 직접 접촉되는 부분에 대해 내식성 표면처리, 예컨대 알루미늄 표면처리 등을 실시한 것이다.

그리고, 공기극 주름판(7a와 7b)은, 예컨대 스텐레스강 (STS 316 등)을 사용하며, 연료극 주름판(5a와 5b)은, 예컨대 스텐레스 주름판(STS 316 등)에 니켈을 입힌 것을 사용한다. 또한, 분리판(3)에는 산화제가스 및 연료가스의 분배를 위한 내부 매니폴드가 위치하고 있다. 산화제 가스용 내부 매니폴드(12a, 12b, 12c)에는 센타 플레이트(6)와 공기극 마스크 플레이트(4b)가 접합되어 있어 공기극 가스인 산화제가스만이 통과하게 된다. 이에 비해 연료가스용 내부 매니폴드인(13a, 13b)에는 반대로 센타 플레이트(6)와 연료극 마스크 플레이트(4a)가 접합되어 있어, 연료극 가스인 연료가스만이 통과할 수 있게 되어있다. 그리고 센타 플레이트(6)와 양극의 마스크 플레이트(4a, 4b)는 분리판 주변부에서 접합되어 있어 가스의 누설이 발생하지 않게 되어있다.

그리고, 도 3에서 알 수 있듯이 중앙의 산화제가스 도입 내부 매니폴드(12a)를 통해 단위전지에 도입된 산화제 가스는 전극부분에서 발전에 필요한 전기화학반응에 참여한 뒤 산화제가스 배출 내부 매니폴드(12b, 12c)를 통해 배출되게 된다. 그리고, 분리판 한쪽의 연료가스 도입 내부 매니폴드(13a)를 통해 도입된 연료가스는 분리판을 가로질러 반대편의 연료가스 배출 내부 매니폴드(13b)를 통해 배출된다.

또한, 연료전지 본체(1)의 상부에 위치하는 엔드 플레이트(2a)는 하단면에 공기극 마스크 플레이트(4b) 및 주름판(7a, 7b)이 설치되어 있다. 또한 하부에 위치한 엔드 플레이트 2b에는 상단면에 연료극 마스크 플레이트(4a) 및 주름판(5a, 5b)이 설치되어 있다. 그리고 하부 엔드 플레이트(2b)의 중앙부에는 산화제가스 도입 내부 매니폴드(12a)에 산화제가스를 도입하기 위한 산화제가스 도입 매니폴드(14a) 및 산화제가스 배출 내부 매니폴드(12b와 12c)에 연결된 산화제가스 배출 매니폴드(14b와 14c)가 설치되어 있고, 연료가스를 도입하는 연료가스 도입 내부 매니폴드(13a)에 연료가스 도입 매니폴드(15a)가 연결되어 있고, 연료가스 배출 내부 매니폴드(13b)에 연결되어 있는 연료가스 배출 매니폴드(15b)가 설치되어 있다.

연료전지가 소정의 작동온도까지 상승하게 되면 전해질이 용융하여 연료극 마스크 플레이트(4a) 및 공기극 마스크 플레이트(4b)와 전해질판 사이에 웨트실(wet seal)이 형성되어 연료가스(R)와 산화제가스(O)가 접촉되지 않게 된다. 이 상태에서 연료극과 공기극에서 전기화학반응이 발생하게 되고, 연료전지는 전기에너지를 생성하게 된다.

산화제가스 도입 매니폴드(14a)를 통하여 공급된 산화제가스(O)는 도 4a 및 도 4b의 연료전지 본체의 단면도에 나타나 있듯이 산화제가스 도입 내부 매니폴드(12a)에서 각 단위전지로 수직방향으로 분배되게 되며, 분배된 각 가스는 수평방향으로 이동하여 발전에 필요한 반응을 수행한 뒤, 양끝의 산화제가스 배출 내부 매니폴드(12b, 12c)를 통하여 하부로 이동한 뒤 산화제가스 배출 매니폴드(14b, 14c)를 통하여 배출된다. 연료가스 도입 매니폴드(15a)를 통하여 공급된 연료가스는 도 4에서와 같이 분리판의 한쪽 가장자리의 연료가스 도입 내부 매니폴드(13a)로 공급되어 발전에 필요한 전극반응을 수행한 뒤 반대편 연료가스 배출 내부 매니폴드(13b)와 연료가스 배출 매니폴드(15b)를 통해 배출된다.

본 발명의 용융탄산염형 연료전지는 스택을 가로질러 흐르는 연료가스보다 유량이 훨씬 많은 산화제가스를 스택 중앙에 위치한 내부 매니폴드로 공급함으로써 유로가 짧아 유로에서의 압력상승이 작아 다량의 산화제 가스를 공급할 수 있고, 중앙부의 낮은 입구 가스온도에 의해 스택에서 고온부의 발생이 억제된다.

이상에서 기술한 바와 같이 본 발명에 의하면 연료전지내의 고온부의 발생이 억제되어 발전시스템으로서 내구성을 가지게 되며, 보다 단순화된 분리판 및 스택 구조로 인해 신뢰성과 경제성을 상승시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 용융탄산염형 연료전지의 개략적인 구성을 나타내기 위한 분리 사시도이고,

도 2는 도 1의 연료전지에 있어서 분리판의 일부 절개 사시도이며,

도 3은 도 2의 분리판의 평면도이고,

도 4a는 도 3의 A-A선에 따른 연료전지의 단면도이고,

도 4b는 도 3의 B-B선에 따른 연료전지의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 연료전지 본체, 2a, 2b : 엔드 플레이트,

3 : 분리판, 4a : 연료극 마스크 플레이트,

4b : 공기극 마스크 플레이트, 5a, 5b : 연료극 주름판,

7a, 7b : 공기극 주름판, 6 : 센타 플레이트,

8 : 단위전지, 9a, 9b : 공기극 다공질 전극판,

11a, 11b : 연료극 다공질 전극판, 10 : 전해질판,

12a : 산화제가스 도입 내부 매니폴드,

12b, 12c : 산화제가스 배출 내부 매니폴드,

13a : 연료가스 도입 내부 매니폴드,

13b : 연료가스 배출 내부 매니폴드,

14a : 산화제가스 도입 매니폴드,

14b, 14c : 산화제가스 배출 매니폴드,

15a : 연료가스 도입 매니폴드, 15b : 연료가스 배출 매니폴드,

O : 산화제가스, R : 연료가스.

Claims (2)

1. 한 쌍의 공기극 다공질 전극판(9a, 9b)과 한 쌍의 연료극 다공질 전극판(11a, 11b)의 사이에 전해질판(10)이 위치하여 구성된 단위전지(8)가 분리판(3)을 매개로 하여 복수개가 적층되어 이루어지고, 상기 분리판(3)은 산화제 및 연료가스가 유로를 거치면서 반응할 수 있도록 센타 플레이트(6)를 중심으로 상부에 연료극쪽 마스크 플레이트(4a)와 하부에 공기극쪽 마스크 플레이트(4b)로 구성되어 있는 용융탄산염형 연료전지에 있어서,

   상기 분리판(3)의 중앙부에 설치된 산화제가스 도입 내부 매니폴드(12a)를 통해서 산화제가스가 도입되어 유로를 거치면서 반응한 후, 상기 분리판(3)의 양 측면에 위치된 산화제가스 배출 내부 매니폴드(12b, 12c)를 통해서 배출될 수 있도록 상기 산화제가스용 내부 매니폴드(12a, 12b, 12c)에 각각 산화제가스 도입 및 배출 매니폴드(14a, 14b, 14c)가 각각 연결 설치되어 있고, 상기 분리판(3)의 한 측면에 위치된 연료가스 도입 내부 매니폴드(13a)를 통해서 연료가스가 도입되어 유로를 거치면서 반응한 후, 상기 분리판(3)의 다른 반대편 측면에 위치된 연료가스 배출 내부 매니폴드(13b)로 배출될 수 있도록 연료가스 도입 및 배출 매니폴드(15a, 15b)가 각각 연결 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 중앙분배형 분리판을 겸비한 용융탄산염형 연료전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 분리판(3)의 양 측면의 내부 매니폴드(13a, 13b)의 단면적은 상기 분리판(3)의 중앙부의 상기 산화제가스 도입 내부 매니폴드(12a) 보다 작게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중앙분배형 분리판을 겸비한 용융탄산염형 연료전지.