KR100602561B1 - 연료전지 - Google Patents

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Abstract

연료전지(10)는 세퍼레이터(58)와, 세퍼레이터(58) 사이의 제1 영역(S1)에 전해질전극조립체(56)를 포함한다. 각각의 세퍼레이터(58)는 제1 판(60)과 제2 판(62) 사이에 제2 영역(S2)을 형성하기 위해 서로 적층된 제1 및 제2 판(60, 62)을 포함한다. 제2 영역(S2)은 연료가스채널(67)과, 산소함유가스채널(82)을 외측 돌기부(66)로 분할된다. 하나의 세퍼레이터(58)에 형성된 연료가스채널(67)은 연료가스를 아노드전극(54)에 공급하는 연료가스입구(88)를 통해 제1 영역(S1)의 연료가스흐름통로(94)에 연결되어 있다. 다른 세퍼레이터(58)의 산소함유가스채널(78)은 산소함유가스를 캐소드전극(52)에 공급하는 산소함유가스입구(78)를 통해 제1 영역(S1)의 산소함유가스흐름통로(96)에 연결되어 있다.

Description

연료전지{FUEL CELL}
본 발명은 디스크형상 세퍼레이터 사이에 개재된 원형 디스크형상 전해질전극조립체를 갖는 연료전지에 관한 것이다. 각각의 전해질전극조립체는 아노드전극과, 캐소드전극과, 아노드전극과 캐소드전극 사이에 개재된 전해질을 포함한다.
통상적으로, 고체 전해질형 연료전지(SOFC)는 안정화 지르코니아와 같은 이온 전도성 고체 산화물의 전해질을 적용한다. 전해질전극조립체를 형성하기 위해 아노드전극과 캐소드전극 사이에 전해질이 개재되어 있다. 전해질전극조립체는 세퍼레이터(바이폴라판) 사이에 개재되며, 전해질전극조립체와 세퍼레이터는 발전용 연료전지의 유니트를 구성한다. 연료전지스택을 형성하기 위해 소정 수의 연료전지가 서로 적층되어 있다.
연료전지에서, 산소함유가스 또는 공기가 캐소드전극에 공급된다. 산소함유가스의 산소는 아노드전극과 전해질 사이의 경계면에서 이온화되며, 산소이온(O2-)은 전해질을 통해 아노드전극을 향해 이동한다. 수소함유가스 또는 CO와 같은 연료가스가 아노드전극에 공급된다. 산소 이온은 수소함유가스의 수소와 반응하여 H2O 를 생성하거나 CO와 반응하여 CO2 를 생성한다. 외부 회로를 통해 캐소드전극 에 반응 흐름으로 전자가 방출되어, DC 전류가 발생된다.
일반적으로, 고체전해질형 연료전지는 800℃ 내지 1000℃ 사이의 고온 범위에서 작동한다. 고체전해질형 연료전지는 내부 개질용 고온 폐열을 이용하여 연료가스를 생성하며, 가스 터빈을 회전함으로써 발전한다. 고체전해질형 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 가장 높은 발전 효율을 갖는 점에서 매력적이며, 가스 터빈과 함께 적용할 뿐만 아니라 차량에서의 잠재적인 이용을 위해 증가하는 주목을 받고 있다.
통상적으로, 유리 링(glass ring)과 같은 시일링부재는 막 전극 조립체의 아노드전극과 캐소드전극에 공급된 연료가스와 산소함유가스의 누설을 방지하기 위해 막 전극 조립체와 세퍼레이터 사이에 삽입된다. 따라서, 연료전지는 복잡한 구조를 가지며, 복수의 연료전지를 적층함으로써 형성된 연료전지스택의 전체 치수는 적층방향으로 대형화된다. 특히, 고온에서 동작하는 고체전해질형 연료전지에서, 열에 의해 시일링부재가 손상되기 쉽고, 소망하는 시일링 성능이 확실하게 유지될 수 없다.
상기 문제를 해결하기 위해서, 예컨대, 일본국 특개평 11-16581호에는 고체 전해질형 연료전지를 개시한다. 특히, 도 11에 도시한 바와 같이, 전지는 대향 주면(2a, 2b)을 갖는 세퍼레이터(1)를 구비하고 있다. 복수의 리브(3a)가 주면(2a)에 반경방향으로 설치되어 있고, 복수의 리브(3b)가 주면(2b)에 반경방향으로 설치되어 있다. 외측에서 세퍼레이터(1)의 주면(2a, 2b)의 중앙 영역까지 홈(4a, 4b)이 각각 연장한다. 홈(4a)은 홈(4a)에 연료가스공급관(5)을 배치하기 위한 소정의 깊이를 가지며, 홈(4b)은 홈(4b)에 산소함유가스공급관(6)을 배치하기 위한 소정의 깊이를 갖고 있다. 연료가스공급관(5) 및 산소함유가스공급관(6)은 세퍼레이터(1)의 홈(4a, 4b) 내측에 거의 수납된다. 각각의 연료가스공급관(5) 및 산소함유가스공급관(6)은 얇은 단부를 갖는 편평한 형상을 갖고 있다.
연료전지에서, 연료가스공급관(5)에 공급된 연료가스는 세퍼레이터(1)의 주면(2a)의 중앙영역을 향해 흐르며, 산소함유가스공급관(6)에 공급된 산소함유가스는 세퍼레이터(1)의 주면(2b)의 중앙영역을 향해 흐르고 있다. 연료가스는 주면(2a) 측면의 전해질전극조립체(도시생략)로 공급되며, 전해질전극조립체의 중앙영역에서 외향으로 흐른다. 산소함유가스는 주면(2b) 측면의 다른 전해질전극조립체(도시생략)로 공급되며, 다른 전해질전극조립체(도시생략)의 중앙영역에서 외향으로 흐른다.
종래기술에서, 소정의 깊이를 갖는 홈(4a, 4b)은 홈(4a)에 연료가스공급관(5)을 배치하고, 홈(4b)에 산소함유가스공급관(6)을 배치하기 위해 외부에서 세퍼레이터(1)의 주면(2a, 2b) 중앙영역까지 각각 연장한다. 따라서, 세퍼레이터(1)는 열응력 등에 의해 변형되거나 손상되기 쉽다. 전해질전극조립체에서의 화학반응은 연료가스공급관(5)과 산소함유가스공급관(6)의 상태에 의해 균일하게 실행될 수 없다. 또, 연료전지스택을 형성하기 위해 많은 전지를 적층할 때, 연료가스공급관(5)과 산소함유가스공급관(6)의 두께에 의해 적층방향으로 연료전지스택의 치수는 대형이다.
본 발명의 일반적인 목적은, 간단한 시일링 구조를 갖는 동시에, 어떠한 공급관 없이 연료가스와 산소함유가스를 분리할 수 있는 능력을 가지면서, 소망된 발전 성능을 유지하는 콤팩트하고 간단한 연료전지를 제공하는 데에 있다.
본 발명에 따르면, 전해질전극조립체를 제공하는 제1 영역은 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 형성된다. 각각의 세퍼레이터는 제1 판과 제2 판 사이에 제2 영역을 형성하기 위해 서로 적층된 제1 판 및 제2 판을 포함한다. 제2 영역은 전해질전극조립체의 아노드전극에 연료가스를 공급하는 연료가스채널과, 전해질전극조립체의 캐소드전극에 산소함유가스를 공급하는 산소함유가스채널으로 분할벽에 의해 분할된다.
세퍼레이터에서, 연료가스채널과 산소함유가스채널은 분할벽으로 시일된다. 따라서, 특별한 시일링부재가 필요 없다. 세퍼레이터는 간단하고 경량이다. 적층방향으로 연료전지의 치수는 소형이다.
연료가스채널은 제1 영역의 전해질전극조립체의 아노드전극으로 연료가스를 공급하는 연료가스입구에 연결된다. 산소함유가스는 제1 영역의 전해질전극조립체의 캐소드전극으로 산소함유가스를 공급하는 산소함유가스입구에 연결되어 있다. 따라서, 세퍼레이터와 전해질전극조립체 사이에 시일링 구조가 상당히 간단하며, 연료전지에 필요한 시일링부재의 수가 감소된다.
본 발명에 따르면, 분할벽은 제2 판에 접촉하기 위해 제1 판에서 돌출하는 돌기부를 포함하거나, 또는 제1 판에 접촉하기 위해 제2 판에서 돌출하는 돌기부를 포함한다. 세퍼레이터 자체는 밀봉 기능을 갖기 때문에, 부품 사이의 열팽창의 차 이가 발생하지 않으며, 열응력이 작다. 간단한 구조에 의해, 세퍼레이터는 확실한 시일링 기능을 가지며, 연료가스와 산소함유가스의 공급은 적절하게 실행된다.
본 발명에 따르면, 연료가스와 산소함유가스는 연료가스입구와 산소함유가스입구를 통해 전해질전극조립체의 대향면의 중앙영역으로 각각 공급될 수 있다.
연료가스와 산소함유가스는 전해질전극조립체에 공급되며, 연료가스와 산소함유가스는 전해질전극조립체의 중앙영역에서 외부로 흐른다. 따라서, 전해질전극조립체의 온도분포가 작으며, 열응력에 의한 전해질전극조립체의 손상이 방지된다. 화학반응은 전체 발전 표면에 균일하게 실행되며, 발전 효율이 향상된다.
또, 전해질전극조립체에 공급된 연료가스의 유량은 균일하며, 연료가스의 이용율이 향상된다. 따라서, 전해질전극조립체의 전체 표면적이 효율적으로 이용되며, 발전성능이 향상된다.
연료가스와 산소함유가스는 전해질전극조립체의 중앙영역으로 공급되며, 연료가스와 산소함유가스는 전해질전극조립체의 중앙영역에서 반경방향 외향으로 흐른다. 반응에 사용된 연료가스와 산소함유가스가 서로 혼합되며, 전해질전극조립체에서 배기가스로서 배출된다. 따라서, 전해질전극조립체와, 연료가스와 산소함유가스를 배기가스와 분리하는 세퍼레이터 사이에 시일링부재가 필요 없다. 특히, 세퍼레이터와, 세퍼레이터 사이에 개재된 전해질전극조립체의 시일링 구조는 매우 간단한다. 따라서, 연료전지는 간단한 구조를 갖는다.
본 발명에 따르면, 제1 판은 제1 보스를 가지며 제2 판은 제2 보스를 가질 수 있으며, 제1 보스 및 제2 보스는 전해질전극조립체를 끼우기 위해 서로를 향해 돌출할 수 있다. 전해질전극조립체에서의 화학반응을 방해하지 않기 위해서 전해질전극조립체는 제1 보스 및 제2 보스에 의해 최소한의 접촉으로 지지된다.
본 발명에 따르면, 제1 보스와 제2 보스는 전해질전극조립체의 대향면에 공급된 연료가스와 산소함유가스의 화학반응에 의해 발생된 전기에너지를 수집하는 전류수집기로 기능할 수 있다. 따라서, 각각의 연료전지에 발생된 전기에너지는 확실하게 수집될 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1 보스는 제2 보스에 비해 큰 거리로 전해질전극조립체를 향해 돌출한다. 캐소드전극에 공급된 산소함유가스의 유량은 아노드전극에 공급된 연료가스의 유량보다 크다. 따라서, 제1 보스의 크기는 산소함유가스에서의 압력손실을 방지하는 제2 보스보다 크다. 특히, 연료전지가 가스터빈과 함께 사용시, 연료전지스택에 산소함유가스를 공급하는 압축기에서의 압력 손실이 감소된다.
본 발명의 상기 다른 목적, 특징 및 장점은 도시하는 실시예에 의해 도시한 본 발명의 바람직한 실시형태를 도시하는 첨부도면과 함께 하기의 설명으로부터 보다 명백하다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 복수의 연료전지를 적층함으로써 형성된 연료전지스택을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 2는 연료전지스택의 일부를 도시하는 단면도이다.
도 3은 연료전지스택을 포함하는 가스터빈을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 연료전지의 분해 사시도이다.
도 5는 연료전지의 일부와 연료전지의 작동을 도시하는 사시도이다.
도 6은 일부 생략된 연료전지스택을 도시하는 단면도이다.
도 7은 연료전지의 세퍼레이터를 도시하는 분해 사시도이다.
도 8은 세퍼레이터의 판을 도시하는 정면도이다.
도 9는 세퍼레이터의 다른 판을 도시하는 정면도이다.
도 10은 연료전지의 작동을 도시하는 도면이다.
도 11은 종래기술의 연료전지시스템을 도시하는 사시도이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 복수의 연료전지(10)가 적층된 연료전지스택(12)의 개략적인 사시도이고, 도 2는 연료전지스택(12)의 일부 단면도이다.
연료전지(10)는, 고정용과 이동용의 고체전해질형연료전지(SOFC)이다. 예컨대, 연료전지(10)는 차량에 탑재되고 있다. 도 3에 도시한 실시예에서, 연료전지스택(12)이 가스터빈(14)에 사용된다. 도 3에서, 연료전지스택(12)의 형상은, 도 1 및 도 2에 도시한 것과 상이하지만, 실질적으로 구조가 동일하다. 연료전지스택(12)이 가스터빈(14)의 케이싱(16)에 배치된다. 연소기(18)는 연료전지스택(12)의 중앙에 배치되어 있다. 연료전지스택(12)은 연소기(18)를 향해 챔버(20)에서 반응후의 연소가스 및 산소함유가스의 혼합가스로서 배기가스가 배출된다. 챔버(20)는, 화살표 X방향으로 지시된 배기가스의 흐름방향으로 좁아진다. 흐름방향으로 전방 단부에 챔버(20) 둘레에 열교환기(22)가 외부로 설치되어 있다. 또, 터빈(출력터빈)(24)이 챔버(20)의 전방 단부에 배치되어 있다. 압축기(26)와 발전기(28) 가 동축으로 터빈(24)에 연결되어 있다. 가스터빈(14)은 전체적으로 축방향 대칭 구조를 갖는다.
터빈(24)의 배출통로(30)는 열교환기(22)의 제1 통로(32)에 연결되어 있다. 압축기(26)의 공급통로(34)는 열교환기(22)의 제2 통로(36)에 연결되어 있다. 제2 통로(36)에 연결된 고온공기입구통로(38)를 통해 연료전지스택(12)의 외주면에 공기가 공급된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 연료전지스택(12)은 화살표 A로 지시된 적층방향으로 복수의 연료전지(10)를 적층함으로써 형성된다. 각각의 연료전지(10)는 절곡된 외측단면을 갖는 디스크형상을 갖는다. 단판(40a, 40b)은 적층방향으로 대향 단부에 최외측 연료전지(10) 외부에 각각 설치되어 있다. 연료전지(10)와 단판(40a, 40b)은 복수(예컨대, 여덟 개)의 체결볼트(42)에 의해 서로 체결되어 있다. 연료전지스택(12)의 중앙에, 연료전지스택(12)에서 배기가스를 배출하기 위해 원형구멍(배출매니폴드)(44)이 형성되어 있다. 원형구멍(44)은 단판(40b)에 바닥을 가지며, 화살표 A로 지시한 방향으로 연장한다(도 2 참조).
원형구멍(44)과 동심원인 가상원을 따라 복수(예컨대, 네 개)의 연료가스공급통로(46)가 형성되어 있다. 각각의 연료가스공급통로(46)는 단판(40a)에 저부를 갖고, 화살표 A로 지시된 방향으로 단판(40b)에서 연장한다. 단판(40a, 40b)은 출력단자(48a, 48b)를 각각 갖는다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 연료전지(10)는 전해질전극조립체(56)를 포함한다. 각각의 전해질전극조립체(56)는 캐소드전극(52), 아노드전극(54), 및 캐소드전극(52)과 아노드전극(54) 사이에 개재된 전해질(전해질 판)(50)을 포함한다. 전해질(50)은 안정화 지르코니아 등의 이온 전도성 고체산화물로 구성되어 있다. 전해질전극조립체(56)는 비교적 작은 원형 디스크 형상을 갖는다.
복수(예컨대, 16)의 전해질전극조립체(56)는 연료전지(10)를 형성하기 위해 한 쌍의 세퍼레이터(58) 사이의 제1 영역(S1)에 개재되어 있다. 전해질전극조립체(56)는 세퍼레이터(58) 중앙에 형성된 원형구멍(44)과 동심원인 내측원(P1)과 외측원(P2)을 따라 배열된다. 내측원(P1)은 여덟 개의 내측 전해질전극조립체(56)의 중심을 통과하며, 외측원(P2)은 여덟 개의 외측 전해질전극조립체(56) 중심을 통과한다.
각각의 세퍼레이터(58)는 제2 공간(S2)을 형성하기 위해 서로 적층된 복수(예컨대, 두 개)의 판(60, 62)을 포함한다. 각각의 판(60, 62)은 예컨대, 스테인레스합금으로 형성되어 있다. 절곡된 단면(60a, 62a)은 판(60, 62)에 각각 형성되어 있다.
도 6 내지 도 8에 도시한 바와 같이, 판(60)은 원형구멍(44) 둘레에 형성된 내측 돌기부(분할벽)(64)를 갖고 있다. 내측 돌기부(64)는 판(62)을 향해 돌출한다. 또, 판(60)은 연료가스공급통로(46) 주위에 돌기부(65)를 갖는다. 돌기부(65)는 판(62)에서 돌출한다. 또, 판(60)은 내측 돌기부(64)와 동심원으로 형성된 외측 돌기부(분할벽)(66)를 갖고 있다. 연료가스공급통로(46)에 연결된 연료가스채널(67)은 내측 돌기부(64)와 외측 돌기부(66) 사이에 형성되어 있다.
외측 돌기부(66)는 소정 거리로 반경방향 외향으로 연장하는 제1 벽(68) 및 제2 벽(70)을 각각 포함한다. 제1 벽(68) 및 제2 벽(70)은 교대로 형성되어 있다. 도 8에 도시한 바와 같이, 각각의 제1 벽(68)은 여덟 개의 내측 전해질전극조립체(56)의 중심을 통과하는 가상선인 내측원(P1)까지 연장한다. 제1 벽(68)은 제2 벽(70)에 연결되어 있다. 각각의 제2 벽(70)은 여덟 개의 외측 전해질전극조립체(56)의 중심을 통과하는 가상선인 외측원(P2)까지 연장한다.
제1 벽(68)의 각 단부와 제2 벽(70)의 각 단부에, 세 개의 산소함유가스입구(78)가 형성되어 있다. 산소함유가스입구(78)는 판(60)의 표면을 통과하도록 형성되어 있다. 제1 보스(80)는 판(60)에 형성되어 있다. 제1 보스(80)는 돌출하고, 제1 원(P1)과 제2 원(P2)을 따라 제1 영역(S1)에 배열된 전해질전극조립체(56)와 접촉한다.
연료가스채널(67)이 판(60)과 판(62) 사이에 내측 돌기부(64)와 외측 돌기부(66) 내부에 형성되어 있다. 또, 산소함유가스채널(82)은 외측 돌기부(66) 외부에 형성되어 있다. 산소함유가스채널(82)은 판(60) 상의 산소함유가스입구(78)에 연결되어 있다. 산소함유가스입구(78)는 내측원(P1)과 외측원(P2)을 따라 형성되어 있다. 산소함유가스입구(78)는 전해질전극조립체(56)의 캐소드전극(52)의 중앙영역에 대응하는 위치에 형성되어 있다. 특히, 산소함유가스는 인접한 연료전지(10)의 다른 제1 공간(S1)에서 산소함유가스입구(78)를 통해 전해질전극조립체(56)의 캐소드전극(52)의 중앙영역으로 공급된다.
도 6, 도 7 및 도 9에 도시한 바와 같이, 판(62)은 각각의 연료가스공급통로(46) 둘레에 돌기부(84)를 갖고 있다. 돌기부(84)는 판(60)에서 돌출한다. 또, 판(62)은 제2 보스(86)를 향해 돌출하며, 내측원(P1)과 외측원(P2)을 따라 배열된 전해질전극조립체(56)와 접촉한다. 제2 보스(86)는 제1 보스(80)에 비해 작은 치수(높이와 직경)를 갖는다.
제1 벽(68)과 제2 벽(70)의 단부의 내측에 판(62)을 통과하도록 연료가스입구(88)가 각각 형성되어 있다. 산소함유가스입구(78)와 같이, 연료가스입구(88)는 내측원(P1)과 외측원(P2)을 따라 형성되어 있다. 연료가스입구(88)는 전해질전극조립체(56)의 아노드전극(54)의 중앙영역에 대응하는 위치에 형성되어 있다.
세퍼레이터(58)는 연료가스공급통로(46)를 시일하기 위한 인슐레이터 시일(90)을 갖고 있다(도 6 참조). 예컨대, 인슐레이터 시일(90)은 판(60) 또는 판(62)에 세라믹스판을 배치하거나 서멀스프레잉(thermal spraying)으로 판(60) 또는 판(62)에 인슐레이터 시일(90)을 형성함으로써 형성된다. 절곡된 외측 단면(60a, 62a)은 서로에 대해 돌출한다. 절곡된 외측단면(60a) 또는 절곡된 외측 단면(62a) 사이에 인슐레이터 시일(92)을 삽입함으로써 절곡된 외측단면(60a) 또는 절곡된 외측 단면(62a)에 인슐레이터 시일(92)이 설치되어 있다. 변형예로, 세라믹스 등의 인슐레이터 시일(92)은 서멀스프레잉으로 절곡된 외측단면(60a) 또는 절곡된 외측 단면(62a)에 형성되어 있다.
도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 전해질전극조립체(56)는 한쪽의 세퍼레이터(58)의 판(60)과 다른쪽의 세퍼레이터(58)의 판(62) 사이에 개재되어 있다. 특히, 전해질전극조립체(56)의 판(60)과 판(62)은 전해질전극조립체(56)를 개재하기 위해 전해질전극조립체(56)를 향해 돌출하는 제1 보스(80) 및 제2 보스(86)를 갖고 있다.
도 10에 도시한 바와 같이, 연료가스입구(88)를 통해 연료가스채널(67)에 연결된 연료가스흐름통로(94)는 전해질전극조립체(56)와 세퍼레이터(58)의 판(62) 사이에 형성되어 있다. 또, 연료가스입구(78)를 통해 산소함유가스채널(82)에 연결된 산소함유가스흐름통로(96)는 전해질전극조립체(56)와 대향측의 다른 세퍼페이터(58)의 판(62) 사이에 형성되어 있다. 연료가스흐름통로(94)의 개구 크기는 제2 보스(86)의 높이에 의존한다. 산소함유가스흐름통로(96)의 개구 크기는 제1 보스(80)의 높이에 의존한다. 연료가스의 유량은 산소함유가스의 유량보다 작다. 따라서, 제2 보스(86)의 치수는 제1 보스(80)의 치수보다 크다.
도 6에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(58)의 판(60, 62) 사이에 형성된 연료가스채널(67)은 연료가스공급통로(46)에 연결되어 있다. 산소함유가스채널(82)과 연료가스채널(67)은 세퍼레이터(58) 내부의 동일 영역에 형성되어 있다. 산소함유가스채널(82)은 세퍼레이터(58)의 판(60, 62)의 절곡된 외측단면(60a, 62a) 사이의 간격을 통해 외부로 개방되어 있다.
적층방향으로 적층된 각각의 세퍼레이터(58)는 전해질전극조립체(56)를 끼우기 위해 제1 보스(80) 및 제2 보스(86)를 갖는다. 제1 보스(80) 및 제2 보스(86)는 전류 수집기로 기능한다. 화살표 A로 지시된 적층방향으로 연료전지(10)를 직렬로 연결하기 위해 판(60)의 외측 돌기부(66)는 판(62)과 접촉하고 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 연료전지(10)는 화살표 A로 지시된 방향으로 적층되어 있다. 단판(40a, 40b)은 대향단부에 최외측 연료전지(10) 외부에 배치되어 있다. 단판(40a, 40b)은 판(60, 62)의 절곡된 외측 단면(60a, 62a)의 내향 곡선에 대응하는 위치에 구멍(100a, 100b)을 갖고 있다. 인슐레이터부재(102a, 102b)는 구멍(100a, 100b)에 부착되어 있다. 체결볼트(42)가 인슐레이터부재(102a, 102b)에 삽입되어 있다. 체결볼트(42)의 단부는 적절한 힘과 함께 연료전지(10)를 체결하는 너트(104)에 나사 결합된다.
다음에, 연료전지스택(12)의 작동에 관해 이하에 설명한다.
연료전지(10) 조립시, 세퍼레이터(58)를 형성하기 위해 판(60) 및 판(62)은 서로 연결되어 있다. 특히, 도 6에 도시한 바와 같이, 판(60)에서 일체로 연장하는 외측 돌기부(66)는 납땜으로 판(62)에 연결되며, 연료가스공급통로(46) 둘레에 링 형상 인슐레이터 시일(90)은 예컨대 서멀 스프레잉으로 판(60) 또는 판(62)에 설치되어 있다. 또, 곡선을 갖는 인슐레이터 시일(92)은 예컨대 서멀 스프레잉으로 판(60)의 절곡된 외측 단면(60a) 또는 판(62)의 절곡된 외측 단면(62a)에 설치되어 있다.
이와 같이 형성된 세퍼레이터(58)는 판(60)과 판(62) 사이의 동일 영역에 연료가스채널(67)과 산소함유가스채널(82)을 갖고 있다. 연료가스채널(67)은 연료가스공급통로(46)에 연결되며, 절곡된 외측단면(60a)과 절곡된 외측단면(62a) 사이의 산소함유가스채널(82)이 외부로 개방되어 있다.
그리고, 전해질전극조립체(56)는 한 쌍의 세퍼레이터(58) 사이에 개재되어 있다. 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 열여섯 개의 전해질전극조립체(56)는 일방의 세퍼레이터(58)의 판(60)과 타방의 세퍼레이터(58)의 판(62) 사이에 개재되어 있다. 여덟 개의 전해질전극조립체(56)는 내측원(P1)을 따라 배열되며, 여덟 개의 전해질전극조립체(56)는 외측원(P2)을 따라 배열된다. 판(60)의 제1 보스(80)와 판(62)의 제2 보스(86)가 돌출하며, 전해질전극조립체(56)에 접촉한다.
도 10에 도시한 바와 같이, 산소함유가스흐름통로(96)가 전해질전극조립체(56)의 캐소드전극(52)과 판(60) 사이에 형성되어 있다. 산소함유가스흐름통로(96)는 산소함유가스입구(78)를 통해 산소함유가스채널(82)에 연결되어 있다. 연료가스흐름통로(94)는 전해질전극조립체(56)의 아노드전극(54)과 판(62) 사이에 형성되어 있다. 연료가스흐름통로(94)는 연료가스입구(88)를 통해 연료가스채널(67)에 연결되어 있다. 배기가스통로(106)는 배기가스(반응후 연료가스와 산소함유가스의 혼합가스)를 원형구멍(44)에 안내하는 세퍼레이터(58)들 사이에 형성되어 있다.
상기 조립된 바와 같이 연료전지스택(12)을 형성하기 위해 화살표 A로 지시된 방향으로 복수의 연료전지(10)가 적층되어 있다(도 1 및 도 2 참조).
수소함유가스 등의 연료가스가 단판(40b)의 연료가스공급통로(46)에 공급되며, 공기 등의 산소함유가스는 압력하에서 연료전지(10)의 외부로부터 공급된다. 연료가스공급통로(46)에 공급된 연료가스는 화살표 A로 지시된 적층방향으로 흐르고, 연료전지(10)의 각각의 세퍼레이터(58)에 형성된 연료가스채널(67)에 공급된다(도 6 참조).
도 5에 도시한 바와 같이, 연료가스는 외측 돌기부(66)의 제1 벽(68)과 제2 벽(70)을 따라 흐르며, 연료가스흐름통로(94)로 흐른다. 연료가스입구(88)는 제1 벽(68)과 제1 벽(70)의 단부에, 즉, 전해질전극조립체(56)의 아노드전극(54)의 중앙영역에 대응하는 위치에 형성되어 있다. 연료가스흐름통로(94)에 공급된 연료가스는 아노드전극(54)의 중앙영역에서 외향으로 흐른다(도 10 참조).
산소함유가스는 외부에서 각각의 연료전지(10)에 공급된다. 산소함유가스는 판(60)과 판(62) 사이에, 각각의 세퍼레이터(58)에 형성된 산소함유가스채널(82)에 공급된다. 산소함유가스채널(82)에 공급된 산소함유가스는 산소함유가스입구(78)를 통해 산소함유가스흐름통로(96)로 흐르며, 전해질전극조립체(56)의 캐소드전극(52)의 중앙영역에서 외향으로 흐른다(도 5 및 도 10 참조).
따라서, 각각의 전해질전극조립체(56)에서, 연료가스는 아노드전극(54)의 중앙영역으로 공급되며, 아노드전극(54)의 중앙영역에서 외향으로 흐른다. 유사하게, 산소함유가스는 캐소드전극(52)의 중앙영역으로 공급되며, 캐소드전극(52)의 중앙영역에서 외향으로 흐른다 산소이온이 전기화학반응에 의한 발전을 위해 전해질(50)을 통해 캐소드전극(52)에서 아노드전극(54)으로 통과한다.
본 실시형태에서, 전해질전극조립체(56)는 제1 보스(80)와 제2 보스(86) 사이에 개재되어 있다. 따라서, 제1 보스(80)와 제2 보스(86)는 전류 수집기로 기능한다. 연료전지(10)는 화살표 A로 지시된 적층방향으로 전기적으로 직렬로 연결되어 있다. 전기는 출력단자(48a, 48b)로부터 출력될 수 있다.
전해질전극조립체(56)는 전해질전극조립체(56)에서의 화학반응을 방해하지 않도록 최소한의 접촉으로 제1 보스(80)와 제2 보스(86)로 지지된다.
전해질전극조립체(56)를 향하는 제1 보스(80)는 제2 보스(86)와 비교하여 큰 거리로 돌출한다(도 10 참조). 산소함유가스흐름통로(96)에 공급된 산소함유가스의 유량은 연료가스흐름통로(94)에 공급된 연료가스의 유량보다 크다. 따라서, 산소함유가스흐름통로(96)에 공급된 산소함유가스의 유량이 증가하는 경우에도 제1 보스(80)의 크기는 산소함유가스의 압력 손실을 방지하기 위해 제2 보스(86)보다 크다. 특히, 가스터빈(14)과 함께 연료전지(10) 사용시, 압력손실은 효과적으로 감소된다.
연료가스와 산소함유가스의 반응후, 배기가스는 세퍼레이터(58) 사이의 배기가스통로(106)를 통해 전해질전극조립체(56)의 중앙영역에서 외향으로 이동하며, 세퍼레이터(58) 중앙을 향해 흐른다. 배기가스는 세퍼레이터(58) 중앙에 형성된 원형구멍(44)으로 흐르며, 원형구멍(44)에서 외부로 배출된다. 세퍼레이터(58)는 연료가스와 산소함유가스를 공급하는 매니폴드와, 연료가스와 산소함유가스를 배출하는 매니폴드를 형성한다. 따라서, 연료전지스택(12)은 특별한 부품의 필요 없이 간단한 구조를 갖는다. 배기가스는 세퍼레이터(58)의 중앙의 원형구멍(44)으로 안내된다. 따라서, 전해질전극조립체(56)에서 배출된 배기가스의 난류는 발생하지 않으며, 배기가스의 유량은 일정하게 유지된다.
본 실시형태에서, 각각의 세퍼레이터(58)는 판(60, 62) 사이에 제2 영역(S2)을 형성하기 위해 판(60, 62)을 포함한다. 제2 영역(S2)은 분할벽으로 작용하는 외측 돌기부(66)에 의해 연료가스채널(67)과 산소함유가스채널(82)으로 분할된다.
세퍼레이터에서, 연료가스채널(67)과 산소함유가스채널(82)은 외측 돌기부(66)로 밀봉된다. 따라서, 특별한 시일링부재가 필요 없다. 연료전지는 간단한 시일링 구조를 가지며, 적층방향으로 연료전지(10)의 전체 치수는 소형화된다.
외측 돌기부(66)는 판(60)에서 일체로 돌출한다. 따라서, 세퍼레이터(58) 자체는 시일링 기능을 갖고, 부품 사이의 열팽창의 차이가 발생하지 않으며, 열응력이 작다. 간단한 구조에 의해, 세퍼레이터(58)는 확실한 시일링 기능을 가지며, 연료가스와 산소함유가스의 공급은 적절하게 실행된다.
연료가스채널(67)은 제1 영역(S1)에서 전해질전극조립체(56)에 연료가스를 공급하는 연료가스입구(88)에 연결되어 있다. 또, 산소함유가스채널(82)은 다른 제1 영역(S1)에서 전해질전극조립체(56)에 산소함유가스를 공급하는 산소함유가스입구(78)에 연결되어 있다. 이처럼, 종래 공급관에 추가로 요구되는 시일링부재의 수가 감소된다. 따라서, 세퍼레이터와 전해질전극조립체 사이의 시일링구조가 상당히 간소화된다. 적층방향으로 연료전지(10)의 전체 치수는 소형화된다.
또, 본 실시형태에서, 연료가스는 연료가스채널(67)에서 연료가스입구(88)로 흐르고 산소함유가스는 산소함유가스채널(82)에서 산소함유가스입구(78)로 흐른다 연료가스입구(88)와 산소함유가스입구(78)는 전해질전극조립체(56)의 대향면의 중앙영역에 위치된다(도 10 참조). 연료가스와 산소함유가스는 전해질전극조립체(56)의 중앙영역에서 외향으로 흐른다 따라서, 각 전해질전극조립체(56)에서의 온도분포가 작으며, 열응력에 의한 손상이 방지된다. 화학반응은 전체 발전 표면에 균일하다.
이 구조에서, 각각의 전해질전극조립체(56)에 공급된 연료가스의 유량이 균일하다. 전해질전극조립체(56)에서의 연료가스의 이용률이 향상되며, 전해질전극 조립체(56)의 전체 표면이 효율적으로 이용된다. 따라서, 발전 효율이 상당히 향상된다.
연료가스와 산소함유가스는 전해질전극조립체(56)의 대향면의 중앙영역으로 공급된다. 연료가스와 산소함유가스는 전해질전극조립체(56)의 대향면의 중앙영역에서 반경방향 외향으로 흐른다 따라서, 전해질전극조립체(56)와 세퍼레이터(58) 사이에 연료가스와 산소함유가스에 대한 시일링 구조가 필요 없으며, 연료전지(10)는 간단한 구조를 갖는다.
다음에, 도 3에 도시한 가스터빈(14)에 사용된 연료전지스택(12)의 작동을 간단하게 기술한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 가스터빈(14)의 작동을 시작할 때, 연소기(18)는 터빈(24)을 회전하기 위해 기동하며, 압축기(26)와 발전기(28)를 기동한다. 압축기(26)는 외부 공기를 공급통로(34)로 안내하도록 기능한다. 공기는 소정 온도(예컨대, 200℃)까지 가압 및 가열되며, 열교환기(22)의 제2 통로(36)로 공급된다.
열교환기(22)의 제2 통로(36)에 공급된 공기를 가열하기 위해 반응후 연료가스와 산소함유가스의 혼합가스로서의 고온 배기가스가 열교환기(22)의 제1 통로(32)에 공급된다. 가열된 공기는 고온 공기공급통로(38)를 통해 흐르며, 외부에서 연료전지스택(12)의 연료전지(10)에 공급된다. 따라서, 발전은 연료전지(10)에 의해 실행되며, 연료가스와 산소함유가스의 반응으로 생성된 배기가스는 케이싱(16)의 챔버(20)로 배출된다.
이 때, 연료전지(고체전해질형연료전지)(10)에서 배출된 배기가스의 온도는 800℃ 내지 1000℃ 범위로 높다. 배기가스는 발전기(28)에 의한 전기를 발생하기 위해 터빈(24)을 회전한다. 배기공기는 외부 공기를 가열하기 위해 열교환기(22)에 공급된다. 따라서, 터빈(24)을 회전하기 위해 연소기(18)를 이용할 필요가 없다.
800℃ 내지 1000℃ 범위에서의 고온 배기가스는 연료전지스택(12)에 공급된 연료를 내부적으로 개질하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 내부 개질을 위해 천연가스, 부탄, 및 가솔린 등의 각종 연료가 사용될 수 있다.
본 실시형태에서, 연료전지스택(12)은 가스터빈(14)에 사용된다. 그러나, 연료전지스택(12)은 다른 용도로도 사용될 수 있다. 예컨대, 연료전지스택(12)은 차량에 장착될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전해질전극조립체를 제공하기 위한 제1 영역이 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 형성된다. 각각의 세퍼레이터는 제1 판과 제2 판 사이에 제2 영역을 형성하기 위해 서로 적층된 제1 판과 제2 판을 포함한다. 제2 영역은 전해질전극조립체의 아노드전극에 연료가스를 공급하는 연료가스채널과, 전해질전극조립체의 캐소드전극에 산소함유가스를 공급하는 산소함유가스채널 사이를 분할벽으로 분할한다.
세퍼레이터에서, 연료가스채널과 산소함유가스채널은 분할벽으로 시일된다. 따라서, 특별한 시일링부재가 필요 없다. 세퍼레이터는 간단하고 경량이다. 적층방향으로 연료전지의 치수는 소형이다.
상기 세퍼레이터 중 한쪽에 형성된 연료가스채널은 전해질전극조립체에 연료가스를 공급하는 연료가스입구를 통해 제1 영역의 연료가스흐름통로에 연결되어 있다. 세퍼레이터 중 다른쪽에 형성된 산소함유가스채널은 전해질전극조립체에 산소함유가스를 공급하는 산소함유가스입구를 통해 제1 영역의 산소함유가스통로에 연결되어 있다. 따라서, 세퍼레이터와 전해질전극조립체 사이의 시일링 구조가 상당히 간단하며, 연료전지에 필요한 시일링부재의 수가 감소된다. 따라서, 연료전지는 간단한 구조를 갖는다.
본 발명은 바람직한 실시 형태를 참조로 특별하게 도시되고 기술되지만, 첨부된 특허청구범위로 한정된 바와 같이 본 발명의 사상과 범위로부터 이탈하지 않고 당분야 당업자에 의해 각종 변화와 변형이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (7)

  1. 한 쌍의 세퍼레이터(58)와, 상기 세퍼레이터(58) 사이에 개재된 전해질전극조립체(56)를 구비하고, 상기 전해질전극조립체(56) 각각은 아노드전극(54), 캐소드전극(52), 및 상기 아노드전극(54)과 캐소드전극(52) 사이에 개재되는 전해질(50)을 포함하는 연료전지에 있어서,
    상기 전해질전극조립체(56)를 제공하기 위한 제1 영역(S1)이 상기 세퍼레이터(58) 사이에 형성되고,
    각각의 상기 세퍼레이터(58)는 상기 제1 판(60)과 상기 제2 판(62) 사이에 제2 영역(S2)을 형성하도록 서로 적층된 제1 판(60) 및 제2 판(62)을 포함하고,
    상기 제2 영역(S2)은 분할벽(66)에 의해 연료가스채널(67)과, 산소함유가스채널(82)으로 분할되고,
    상기 세퍼레이터(58)의 한쪽에 형성된 상기 연료가스채널(67)은, 상기 전해질전극조립체(56)의 아노드전극(54)에 상기 연료가스를 공급하기 위해 연료가스입구(67)를 통해 상기 제1 영역(S1)에 연결되며,
    상기 세퍼레이터(58)의 다른쪽에 형성된 상기 산소함유가스채널(82)은 상기 전해질전극조립체(56)의 캐소드전극(52)에 상기 산소함유가스를 공급하기 위해 산소함유가스입구(78)를 통해 상기 제1 영역(S1)에 연결되는 연료전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분할벽은 상기 제2 판(62)에 접촉하기 위해 상기 제1 판(60)에서 돌출하는 돌기부(66)를 포함하는 연료전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 분할벽은 상기 제1 판(60)에 접촉하기 위해 상기 제2 판(62)에서 돌출하는 돌기부를 포함하는 연료전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연료가스와 상기 산소함유가스는 상기 연료가스입구(88)와 상기 산소함유가스입구(78)를 통해 상기 전해질전극조립체(56)의 대향면의 중앙영역으로 각각 공급되는 연료전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 판(60) 및 상기 제2 판(62)은 제1 보스(80) 및 제2 보스(86)를 각각 가지며, 상기 제1 보스(80) 및 상기 제2 보스(86)는 상기 전해질전극조립체(56)를 개재하기 위해 서로를 향해 돌출하는 연료전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 보스(80)와 상기 제2 보스(86)는 전해질전극조립체(56)의 대향면에 공급된 상기 연료가스와 상기 산소함유가스의 화학반응에 의해 발생된 전기에너지를 수집하는 전류수집기(current collector)로 기능하는 연료전지.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 보스(80)는 상기 제2 보스(88)에 비해 큰 거리로 상기 전해질전극조립체(56)를 향해 돌출하는 연료전지.
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