KR100645190B1 - 직접 내부 개질형 분리판을 구비하는 용융탄산염 연료전지 - Google Patents

직접 내부 개질형 분리판을 구비하는 용융탄산염 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분리판의 테두리 부분의 밀봉부(wet seal part)가 차지하는 빈공간을 활용하여, 연료가스를 분리판의 측면에서 단일의 통로로 도입 및 배출할 수 있는 공급 통로와 배출통로를 구성하며, 연료가스를 상기 분리판의 공급통로에서 직접 내부 개질하여 수소와 이산화탄소를 제조하고 이를 애노드부에 직접 공급함과 아울러, 애노드부에 공급된 연료 가스의 흐름이 캐소드부에 공급되는 공기와 이산화탄소의 흐름과 동일한 코-플로우(Co-flow)를 실현함으로써, 분리판의 형상과 구조가 간단하고, 새로운 연료가스의 공급 형태를 가지는 연료전지를 제공하며, 내부 개질형 연료전지가 가지는 장점과 코-플로우 흐름이 가지는 장점을 모두 얻을 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서 있어서는, 분리판(100)은, 상,하면 중간 부분에 코루게이트 형태를 가지며 촉매 코팅층이 형성된 가스 유로(112)가 형성되고, 상기 코루게이트 형 가스 유로(112)의 외곽 테두리부가 밀봉부로서 제공되는 센터 플레이트(110)가 구비되고, 상기 가스 유로(112)의 입구 부분과 출구 부분 쪽에 위치하는 상기 센터 플레이트(110)의 양쪽 테두리 부분의 상면에는, 각각 상기 가스 유로(112)에 직교하는 방향으로 애노드부 반응가스의 유입구(121)와 배출구(131)를 제공하고, 그 상면이 상기 전해질 판(300)의 밀봉부로서 제공되는 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)가 구비되고, 상기 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)의 유입구(121)와 배출구(131)의 선단부 사이를 이루는, 상기 센터 플레이트(110)의 한쪽 테 두리 부분의 상면에는, 상기 코루게이트 형 가스 유로(112)의 한쪽 측벽을 형성함과 아울러 그 상면이 상기 전해질 판(300)의 밀봉부로서 제공되는 통체(140)가 배치되고, 상기 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)의 유입구(121)와 배출구(131)의 후단부의 바깥부분을 이루는, 상기 센터 플레이트(110)의 한쪽 테두리 부분의 상면에는, 상기 코루게이트 형 가스 유로(112)의 반대쪽 측벽을 형성하면서 상기 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)의 후단부를 막음함과 아울러 그 상면이 상기 전해질 판(300)의 밀봉부로서 제공되는 통체(150)가 배치되고, 상기 센터 플레이트(110)의 하면 양쪽에는, 캐소드부 반응가스 유로의 양쪽 측벽을 이루며, 또 하나의 전해질 판(300)의 밀봉부로서 제공되는 통체(160),(170)가 각각 배치된 구조의 직접 내부 개질형 분리판을 구비하는 용융탄산염 연료전지가 제공된다.
용융탄산염, 연료, 전지, 분리판

Description

직접 내부 개질형 분리판을 구비하는 용융탄산염 연료전지{Molten carbonate fuel cell provided with directed internal steam reforming type separator}
도 1a 및 도 1b는 종래의 용융탄산염 연료전지 분리판을 개략적으로 보여주는 것으로서, 도 1a는 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 X-X 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 직접 내부 개질형 용융탄산염 연료전지의 분리판을 포함하는 스택의 일부를 보여주는 것으로서, 도 2a는 사시도이고, 도 2b는 도 2a의 A-A 단면도이고, 도 2c는 도 2a의 B-B 단면도이며, 도 2d는 도 2a의 개략 평면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 직접 내부 개질형 용융탄산염 연료전지의 분리판을 포함하는 스택의 일부를 보여주는 것으로서, 도 3a는 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 개략 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 직접 내부 개질형 용융탄산염 연료전지의 분리판을 포함하는 스택의 일부를 보여주는 것으로서, 도 4a는 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 개략 평면도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 분리판 110 : 센터 플레이트
112 : 코루게이트형 가스 유로 120 : 애노드부 반응가스 유입통로
121, 161 : 유입구 130 : 애노드부 반응가스 배출통로
131 : 배출구 140, 150, 160, 170 : 통체
200 : 단위 전지 210 : 애노드부 집전판
220 : 애노드 전극판 230 : 캐소드부 집전판
240 : 캐소드 전극판 300 : 전해질 판
400, 500 : 유입측 가이드 배인 410, 510 : 배출측 가이드 배인
본 발명은 직접 내부 개질형 분리판을 구비하는 용융탄산염 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분리판의 테두리 부분의 밀봉부(wet seal part)가 차지하는 빈 공간을 활용하여, 연료가스를 분리판의 측면에서 단일의 통로로 도입 및 배출할 수 있는 공급 통로와 배출통로를 구성하며, 연료가스를 상기 분리판의 공급통로에서 직접 내부 개질하여 수소와 이산화탄소를 제조하고 이를 애노드부에 직접 공급함과 아울러, 애노드부에 공급된 연료 가스의 흐름이 캐소드부에 공급되는 공기와 이산화탄소의 흐름과 동일한 코-플로우(Co-flow)를 실현함으로써, 분리판의 형상과 구조가 간단하고, 새로운 연료가스의 공급 형태를 가지는 연료전지를 제공하며, 내부 개질형 연료전지가 가지는 장점과 코-플로우 흐름이 가지는 장점을 모 두 얻을 수 있도록 한 직접 내부 개질형 분리판을 구비하는 용융탄산염 연료전지에 관한 것이다.
용융탄산염 연료전지는 애노드부의 수소 산화반응과 캐소드부의 산소 환원반응의 전기화학 반응을 이용하여 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서, 기존의 열기관(연소기관)에 비하여 이론적 발전효율이 높고 공해 오염원이 적은 친환경적 발전시스템이다.
이러한 용융탄산염 연료전지는, 전기를 생산해 내는 스택(stack), 연료 공급 장치와 같은 기계적 주변장치, 그리고 DC/AC 변환장치와 같은 전기적 주변장치로 크게 구성된다.
이중에서, 스택은 한 쌍의 애노드 전극판과 캐소드 전극판 사이에 알카리탄산염 전해질을 함유하는 다공성의 매트릭스 판으로 이루어지는 단위전지를 가지며, 이들 단위전지를 도전성의 분리판을 개재하여 수십 내지 수백개 적층한 형태로 이루어진다.
이러한 스택은, 용융탄산염 연료전지의 발전효율과 수명 그리고 성능을 좌우하기 때문에 스택을 구성하는 분리판의 형상과 분리판 내부로의 연료 공급 방법이 대단히 중요하며 이에 대한 연구가 많이 진행되어 왔다.
용융탄산염 연료전지용 분리판은 각 단위전지로 연료가스를 배분하는 위치에 따라 외부 분배 형태와 내부 분배 형태로 분류할 수 있다. 외부 분배형 분리판은 스택의 외측면에 예를 들어, 분배 덕트 또는 플래늄 챔버 등을 가스켓을 개재하여 밀봉 설치하여 가스를 공급하는 방식으로, 분리판의 구조가 간단하여 제작 및 조립이 간편한 등의 장점이 있다. 그러나, 애노드부에 공급되는 연료 가스(수소 및 이산화탄소)의 흐름 방향이 캐소드부에 공급되는 공기 및 이산화탄소의 흐름 빙향과 교차하는 교차흐름(cross-flow) 형태만이 가능한 등의 단점이 있다. 이러한 교차흐름 형태는, 애노드부와 캐소드부에서의 가스 흐름이 동일한 이른바 '코-플로우(co-flow, 또는 평행흐름(parallel flow)이라고도 함)' 형태에 비해 발전 성능이 떨어진다. 반면에, 내부 분배 형태는 분리판의 둘레부를 이루는 밀봉(wet seal)부에 다수개의 매니폴드 구멍을 형성하여 이를 통해 가스를 공급하는 형태이므로 분리판의 형태가 복잡하고 제작이 어려우며 운전 준비(상온에서 650도 온도까지 상승시키는 전처리 공정)중에 스택의 높이가 변화되는 등의 단점은 있으나, 가스 흐름을 코-플로우 형태로 구현가능한 장점이 있다.
한편, 용융탄산염 연료전지는 개질기의 위치에 따라, 연료전지 외부에서 연료 가스를 개질하여 수소와 이산화탄소를 생산한 후, 이를 연료전지의 애노드부에 공급하는 외부 개질형과, 연료전지 내부에서 직접 개질시켜 애노드부에 공급하는 내부 개질형으로 분류할 수 있다. 내부 개질형 용융탄산염 연료전지는 전기화학반응에 의해 생성된 반응열을 별도의 흡열 반응인 개질 반응에 직접 이용하므로, 부피가 큰 외부 개질기를 없앨 수 있어 시스템 구성이 간단해지고 열효율도 높일 수 있다.
첨부도면 도 1a 및 도 1b에는 종래의 용융탄산염 연료전지 분리판 중 가장 많이 사용되고 있는 내부 분배 형태/외부 개질형 분리판을 개략적으로 보여주는 것 으로서, 도 1a는 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 단면도이다. 도면에 도시된 분리판의 형태와 동일하거나 유사한(개량한) 형태의 분리판은, 대한민국 등록실용신안 20-184143호 공보, 대한민국 등록특허 10-0266264호 공보, 대한민국 공개특허 10-2005-6651호 공보, 대한민국 등록특허 10-418626호 공보 등에서도 볼 수 있다.
먼저, 도 1a에 도시된 것과 같이, 종래의 용융탄산염 연료전지 분리판(2)은, 분리판의 테두리 부분의 밀봉부(3)에는, 연료변환장치인 개질기에서 연료가스를 개질하여 생산한 수소와 이산화탄소를 애노드부로 공급하기 위한 애노드부 매니폴드 구멍(4)들과, 공기와 이산화탄소를 캐소드부에 공급하기 위한 캐소드부 매니폴드 구멍(5)들이 형성된 특징을 가진다.
도 1b는 도 1a의 한쪽 부분을 보여주는 단면도로서, 분리판(2)은, 센터 플레이트(11)의 상면에 쉴디드 슬롯(Shielded slot) 형태로 반응가스 유로를 형성하면서 전류를 집전하는 애노드부 전류 집전판(12)이 배치되어 있고, 상기 애노드부 전류 집전판(12)은 애노드부 마스크 플레이트(13)에 의해 지지되어, 그의 상면에 애노드 전극판(16)이 배치되어 있다. 상기 센터 플레이트(11)의 하면에는 반응가스 유로를 형성하면서 전류를 집전하는 캐소드부 전류 집전판(14)이 배치되어 있고, 상기 캐소드부 전류 집전판(14)은 캐소드부 마스크 플레이트(15)에 의해 지지되어, 그의 상면에 캐소드 전극판(17)이 배치된 구조를 가진다. 상기 애노드 전극판(16)의 상면에는 전해질 판(18)이 배치되고, 이 전해질 판(18)의 상면에는 상술한 바와 동일한 형태의 또 하나의 분리판(2)이 적층되어 그 분리판(2)의 캐소드 전극판(17)의 하면이 상기 전해질 판(18)의 상면에 배치된다. 그리고, 상기 전해질 판(18)의 둘레 부분은 상기 애노드 마스크 플레이트(13) 및 캐소드 마스크 플레이트(15)의 테두리 부분에 평탄하게 형성되는 밀봉부(3)에 밀착되어 밀봉됨으로써, 이 밀봉부와 상기 전해질 판(18)에 의해 애노드부 반응 가스와 캐소드부 반응 가스의 혼합(직접 접촉)을 방지하고 있다. 또한, 상기 밀봉부(3)에서는 각 매니폴드 구멍(5)(4) 간의 누설을 방지하기 위하여 센터 플레이트(11)와 마스크 플레이트(13)(15)들이 여러지점에 접합부(w)로 용접 접합되어 밀봉되어 있다.
이와 같은 종래의 분리판은, 내부 분배 형태를 이루기 위해 분리판의 테두리 부분을 이루는 밀봉부에 다수개의 매니폴드 구멍을 형성하여야 하는 복잡한 구조를 가지고 있고, 각 매니폴드 구멍들 사이의 가스 혼합을 막기 위해 많은 용접 접합을 필요로 한다. 이와 같은 분리판 형상의 복잡성과 많은 용접 접합에 의해 초래되는 분리판 변형 등은, 스택 적층시의 면압(Plane force)에 불균일을 유발하여, 공급 가스가 스택에서 외부로 누설되는 원인이 됨과 동시에 전해질과 방출가스간의 직접적인 영향에 의해 분리판이 가혹하게 부식이 되는 위험을 소지하고 있다. 또한 불균일한 분리판 형상과 변형을 고려하여 스택의 기밀성을 확보하기 위하여는 이론적 면압보다 높은 면압을 가하여야 함에 따라, 스택의 응력 축적으로 인한 기계적 손상을 유발할 가능성을 내포하는 단점을 가진다.
한편, 애노드 반응에 필요한 공급가스인 수소와 이산화탄소는 외부 주변장치인 개질기에서 연료가스를 개질하여 생산된 후 스택내부로 공급되기 때문에 개질기 제조비용과 전체 시스템 열관리비용이 많이 들고, 특히 발열반응인 스택의 전기화학 반응으로 인한 분리판 혹은 스택의 국부적인 열응집 지점이 심하게 발생하여 스 택의 내부 온도 구배가 불균일하게 되고 이에 따른 스택의 성능 감소와 수명 단축 등의 문제점들을 발생시키게 된다.
이에 따라 본 발명은, 내부 개질형 연료전지가 가지는 장점과 코-플로우 흐름이 가지는 장점을 모두 얻을 수 있도록 하여 용융탄산염 연료전지의 분리판에서 발생하는 불균일한 온도 구배를 해결하고 가스 기밀성을 개선하여 용융탄산염 연료전지의 수명을 연장할 수 있으며, 제조 비용이 저렴하고 우수한 발전 성능을 얻을 수 있도록 내부 개질형 연료전지가 가지는 장점과 코-플로우 흐름이 가지는 장점을 모두 얻을 수 있는 형태의 용융탄산염 연료전지를 제공하는데 목적이 있다.
이를 위한 본 발명의 구체적인 목적은, 분리판의 테두리 부분의 밀봉부(wet seal part)가 차지하는 빈공간을 활용하여 연료가스를 분리판의 측면에서 각 단위 전지에 단일의 통로로 도입 및 배출할 수 있는 공급통로와 배출통로를 구성한 형상과 구조가 간단하고 새로운 연료 가스 공급 형태를 가지는 분리판을 제공하며, 연료가스를 상기 분리판의 공급통로에서 직접 내부 개질하여 수소와 이산화탄소를 제조하고 이를 애노드부에 직접 공급함으로써 외부 개질기를 없애 시스템 구성을 간단하게 할 수 있도록 함과 아울러, 애노드부에 공급된 연료 가스의 흐름이 캐소드부에 공급되는 공기와 이산화탄소의 흐름과 동일한 코-플로우(Co-flow)를 실현하여 우수한 발전 성능을 얻을 수 있는 새로운 형태의 직접 내부 개질형 분리판을 구비하는 용융탄산염 연료전지를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 전해질 판(300)을 사이에 두고 애노드 전극판(220)과 캐소드 전극판(240)이 배치되어 단위전지를 이루며, 상기 각 단위전지들을 도전성의 분리판(100)을 개재하여 적층한 형태로 이루어지며,
상기 분리판(100)은, 상,하면 중간 부분에 코루게이트 형태를 가지며 촉매 코팅층이 형성된 가스 유로(112)가 형성되고, 상기 코루게이트 형 가스 유로(112)의 외곽 테두리부가 밀봉부로서 제공되는 센터 플레이트(110)가 구비되고, 상기 가스 유로(112)의 입구 부분과 출구 부분 쪽에 위치하는 상기 센터 플레이트(110)의 양쪽 테두리 부분의 상면에는, 각각 상기 가스 유로(112)에 직교하는 방향으로 애노드부 반응가스의 유입구(121)와 배출구(131)를 제공하고, 그 상면이 상기 전해질 판(300)의 밀봉부로서 제공되는 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)가 구비되고, 상기 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)의 유입구(121)와 배출구(131)의 선단부 사이를 이루는, 상기 센터 플레이트(110)의 한쪽 테두리 부분의 상면에는, 상기 코루게이트 형 가스 유로(112)의 한쪽 측벽을 형성함과 아울러 그 상면이 상기 전해질 판(300)의 밀봉부로서 제공되는 통체(140)가 배치되고, 상기 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)의 유입구(121)와 배출구(131)의 후단부의 바깥부분을 이루는, 상기 센터 플레이트(110)의 한쪽 테두리 부분의 상면에는, 상기 코루게이트 형 가스 유로(112)의 반대쪽 측벽을 형성하면서 상기 애노드부 공급 통로(120)와 배출통로(130)의 후단부를 막음함과 아울러 그 상면이 상기 전해질 판(300)의 밀봉부로서 제공되는 통체(150)가 배치되고, 상기 센터 플레이트(110)의 하면 양쪽에는, 캐소드부 반응가스 유로의 양쪽 측벽을 이루며, 또 하나의 전해질 판(300)의 밀봉부로서 제공되는 통체(160),(170)가 각각 배치되며, 애노드부 반응가스는 상기 애노드부 공급통로(120)의 유입구(121)로 공급되어, 상기 애노드부 공급통로(120) 내부에서 1차 수증기 개질 반응이 유도된 후, 상기 코루게이트 형 가스 유로(112)로 유입되어 2차 수증기 개질 반응이 유도되어, 이에 발생된 수소와 이산화탄소가 애노드 전극에 직접 제공된 후, 상기 애노드부 배출통로(130)의 배출구(131)를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 직접 내부 개질형 분리판을 구비하는 용융탄산염 연료전지가 제공된다.
상기한 본 발명에 있어서, 상기 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)의 내부에는, 반응 가스의 균일한 가스 분포를 얻기 위하여, 상기 공급통로(120)와 배출통로(130)의 유입구(121)와 배출구(131)로부터 코루게이트 형 가스 유로(112)측으로 경사지는 다수개의 유입측 가이드 배인(400) 또는 (500)과 배출측 가이드 배인(410) 또는 (510)이 배치되며, 상기 각 유입측 가이드 배인(400) 또는 (500)에서, 인접하는 배인(400) 또는 (500)들이 이루는 통로들 각각에는 촉매 코팅층이 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 유입,배출측 가이드 배인(400)(410) 또는 (500)(510)들의 각 유입구(121)와 배출구(131)측 단부는, 각 유입구(121)와 배출구(131)의 입구 단부로부터 동일 거리에 위치하는 구성을 가질 수 있다.
또한, 상기 유입,배출측 가이드 배인(400)(410) 또는 (500)(510)들의 각 유입구(121)와 배출구(131)측 단부는, 각 유입구(121)와 배출구(131)의 입구 단부로부터 상이한 거리에 위치할 수도 있다.
그리고, 상기 유입,배출측 가이드 배인(400)(410) 또는 (500)(510)들의 각 배인들에 있어서, 하나 이상의 배인의 각도는 나머지 하나 이상의 배인의 각도와 상이하게 구성할 수 있다.
또한, 상기 각 유입측 가이드 배인(400) 또는 (500)에서, 인접하는 배인(400) 또는 (500)들이 이루는 각각의 통로들의 촉매 코팅량은, 모든 통로들에서 균일한 개질율이 얻어지도록 하기 위하여, 각 통로마다 상이한 코팅량을 가질 수 있다.
상기한 본 발명에 있어서, 상기 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)는, 상기 센터 플레이트(110)의 양쪽 끝부분을 각각 위로 절곡한 형태로 이루어질 수 있다.
상기한 본 발명에 있어서, 상기 센터 플레이트(110)의 하면에서 상기 캐소드부 반응가스 유로의 양쪽 측벽을 이루는 상기 통체(160),(170)는, 코루게이트 형 가스 유로(112)의 가스 흐름 방향과 나란한 방향으로 배치되어, 캐소드부 반응가스의 흐름이 상기 애노드부 반응가스의 흐름과 동일하게 되도록 하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 예시 도면을 참조하여 본 발명에 따른 직접 내부 개질형 분리 판을 구비하는 용융탄산염 연료전지의 실시예를 상세하게 설명한다.
(실시예 1)
도 2a 내지 도 2d에는 본 발명의 제1실시예에 따른 직접 내부 개질형 용융탄산염 연료전지의 분리판을 포함하는 스택의 일부가 도시되어 있다.
본 실시예에 있어서는, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 것과 같이, 분리판(100)은 각 단위전지(200)간의 전기적으로 연결하면서 애노드부 반응가스 유로와 캐소드부 반응가스 유로를 제공하면서, 동시에 그 테두리부가 밀봉부(wet seal part)를 제공한다.
구체적으로, 상기 분리판(100)은, 그의 상,하면 중간 부분에 코루게이트(corrugated) 형태를 가지며 촉매 코팅층이 형성된 가스 유로(112)가 형성되고, 상기 코루게이트 형 가스 유로(112)의 외곽 테두리부가 밀봉부로서 제공된다.
그리고, 상기 가스 유로(112)의 입구 부분과 출구 부분 쪽에 위치하는 상기 센터 플레이트(110)의 양쪽 테두리 부분의 상면에는, 각각 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)가 배치된다. 상기 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)는, 상기 가스 유로(112)에 직교하는 방향으로 애노드부 반응가스의 유입구(121)와 배출구(131)를 제공하면서, 그 상면은 상기 전해질 판(300)의 밀봉부로서 제공된다.
또한, 상기 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)의 유입구(121)와 배출구(131)의 선단부 사이를 이루는, 상기 센터 플레이트(110)의 한쪽 테두리 부분의 상면에는 통체(140)가 배치된다. 상기 통체(140)는, 상기 코루게이트 형 가스 유로(112)의 한쪽 측벽을 형성함과 아울러 그 상면이 상기 전해질 판(300)의 밀봉부로 서 제공된다. 상기 애노드부 공급통로(120)의 내부에는 애노드부 반응가스의 1차 수증기 개질 반응을 돕는 촉매 코팅층이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)의 유입구(121)와 배출구(131)의 후단부의 바깥부분을 이루는, 상기 센터 플레이트(110)의 한쪽 테두리 부분의 상면에는 또 하나의 통체(150)가 배치된다. 상기 통체(150)는, 상기 코루게이트 형 가스 유로(112)의 반대쪽 측벽을 형성하면서 상기 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)의 후단부를 막음하고, 동시에 그의 상면이 상기 전해질 판(300)의 밀봉부로서 제공된다.
따라서, 상기 센터 플레이트(110)의 상면에는 애노드부 집전판(210)이 배치되고, 이 애노드부 집전판(210)의 상면에는 애노드 전극판(220)이 배치되며, 애노드 전극판(220)의 상면에는 상기 전해질 판(300)이 배치된다. 상기 전해질 판(300)의 테두리 부분은 앞서 설명한 바와 같이, 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130), 양측의 통체(140)(150) 상면에 밀봉된다.
그리고, 상기 센터 플레이트(110)의 하면 양쪽에는, 캐소드부 반응가스 유로의 양쪽 측벽을 이루는 통체(160),(170)가 각각 배치된다. 상기 통체(160),(170)는 또 하나의 전해질 판(300)의 밀봉부로서 제공됨으로써, 상기 통체(160),(170)와 전해질 판(300) 사이에 캐소드부 반응가스 통로(161)가 개설되게 된다. 또한, 상기 센터 플레이트(110)의 하면에는 캐소드부 집전판(230)이 배치되고, 이 캐소드부 집전판(230)의 하면에는 캐소드 전극판(240)이 배치되며, 캐소드 전극판(240)의 하면에는 상기 또 하나의 전해질 판(300)이 배치된다.
본 발명에 있어서, 상기 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)는, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 것과 같이, 상기 센터 플레이트(110)의 양쪽 끝부분을 각각 위로 절곡한 형태로 이루어질 수 있다. 이렇게 하면, 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)와 센터 플레이트(110)가 하나의 몸체로 구성됨으로써, 밀봉을 위한 용접 개소를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 통체(160),(170)는 상기 코루게이트 형 가스 유로(112)의 가스 흐름 방향과 나란한 방향으로 배치되는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 캐소드부 반응가스의 흐름과 애노드부 반응가스의 흐름이 동일하게 되는 코-플로우 형태의 반응가스 흐름이 실현된다.
이와 같이 구성된 본 발명은, 천연가스와 같은 애노드부 반응가스는, 도 2a 및 도 2d에서 굵은 실선의 화살표(R1)으로 표시한 바와 같이, 애노드부 공급통로(120)의 유입구(121)로 공급되어, 상기 애노드부 공급통로(120) 내부에서 1차 수증기 개질 반응(steam reforming reaction)이 일어난다. 이어서, 180도 각도로 가스 흐름이 바뀌어 코루게이트 가스 유로(112) 즉, 애노드 전극판(220)이 있는 애노드 반응지점으로 흘러 들어가 2차 수증기 개질 반응을 하고, 이에 생산된 수소와 이산화 탄소를 애노드 전극판(220)에 직접 공급하여 산화 반응을 일으킨 후, 배출통로(130)를 통하여 배출된다. 또한, 공기와 이산화탄소로 이루어지는 캐소드부 반응가스는, 도 2a 및 도 2d에서 굵은 점선의 화살표(R2)으로 표시한 바와 같이, 유입구(161)를 통하여 캐소드 전극판(240)이 있는 캐소드 반응지점으로 공급되어 환원반응이 일어나 전류를 생성하게 된다.
이와 같은 본 발명의 수증기 개질 반응시에 있어서는, 용융탄산염 연료전지의 스택의 작동 온도가 650도 이상의 고온이므로, 이는 흡열반응인 수증기 개질 반응에 필요한 반응열로 이용됨으로써, 스택 내부의 온도 과승을 방지함과 더불어 온도 구배를 최소화하여 연료전지의 수명을 연장하고 성능을 향상시킬 수 있으며, 외부 개질기를 없애 시스템을 단순화 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 분리판(110)은, 그의 테두리 부분의 밀봉부(wet seal part)가 차지하는 빈공간을 활용하여 애노드부에 공급되는 반응가스의 공급통로(120)와 배출통로(130)를 형성한 구조를 가짐으로써, 종래의 내부 분배형 분리판이 가지는 매니폴드 구멍들을 형성할 필요가 없으므로 분리판(110)의 형상과 구조가 매우 단순화된다.
또한, 반응가스를 외부 분배 형태로 구성함으로써 분리판의 구조를 단순화할 수 있으며, 그러면서도 애노드부 반응가스의 흐름 방향과 캐소드부 반응가스의 흐름 방향을, 종래의 외부 분배 형태에서 구현하지 못하던, 코-플로우 형태로 구현가능함으로써 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
(실시예 2)
도 3a 및 도 3b에는 본 발명의 제2실시예에 따른 직접 내부 개질형 용융탄산염 연료전지의 분리판을 포함하는 스택의 일부가 도시되어 있다.
본 실시예에 있어서는, 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)의 내부에 각각 다수개의 유입측 가이드 배인(400)과 배출측 가이드 배인(410)을 배치한 구조가 특징이다. 나머지의 구성은 제1실시예와 동일하다.
상기 유입측 가이드 배인(400)과 배출측 가이드 배인(410)은, 반응 가스의 균일한 가스 분포를 얻기 위하여 설치된다. 즉, 반응가스가 코루게이트형 가스 유로(112)인 반응 지점으로 고르게 분산시켜 일정한 개질율이 얻어지도록 하는 기능을 한다.
이러한 가이드 배인(400)(410)은 상기 공급통로(120)와 배출통로(130)의 유입구(121)와 배출구(131)로부터 출발하여 코루게이트 형 가스 유로(112)측으로 경사진 형태로 배치된다.
본 실시예에 있어서, 상기 가이드 배인(400)(410)들의 상기 각 유입구(121)와 배출구(131)측 단부는, 각 유입구(121)와 배출구(131)의 입구 단부로부터 동일 거리에 위치하여, 이로부터 상기 코루게이트 가스 유로(112)의 입구 부분까지 연장된 형태로 이루어져 있다.
상기 가이드 배인(400)(410)들 각각은, 반응 가스의 원활하고 균일한 유입을 유도하기 위하여, 하나 이상의 배인의 각도를 나머지 하나 이상의 배인의 각도와 상이하게 구성할 수 있다. 따라서, 인접하는 가이드 배인(400)(410)들이 이루는 각 통로들을 통과하는 가스의 흐름 각도는 서로 상이할 수가 있다.
또한, 상기 각 유입측 가이드 배인(400)에 있어서, 인접하는 각각의 배인(400)들이 이루는 통로들 각각에는 1차 수증기 개질반응을 촉진시키기 위한 촉매 코팅층이 형성된다. 여기서, 상기 각각의 통로들의 촉매 코팅량은, 모든 통로들에서 균일한 개질율이 얻어지도록 하기 위하여, 각 통로마다 상이한 코팅량을 가질 수 있다.
이러한 본 발명은, 애노드부 반응가스는 애노드부 유입통로(120)에 배치된 각 배인(400)들 사이에 형성되는 통로에서, 해당 통로들에 코팅된 촉매에 의한 1차 수증기 개질반응이 일어나고, 코루게이트 형 가스 유로(112)의 입구에 도착한 후 코루게이트 형 가스 유로(112)를 따라 흘러들어가고, 이후 애노드부 배출 통로(130)에 배치된 각 배인(410)들 사이에 형성되는 통로로 나오게 된다.
(실시예 3)
도 4a 및 도 4b에는 본 발명의 제3실시예에 따른 직접 내부 개질형 용융탄산염 연료전지의 분리판을 포함하는 스택의 일부가 도시되어 있다.
본 실시예에 있어서는, 애노드부 유입통로(120)와 배출통로(130)의 내부에 각각 다수개의 유입측 가이드 배인(500)과 배출측 가이드 배인(510)을 배치하되, 상기 유입,배출측 가이드 배인(500)(510)들의 각 유입구(121)와 배출구(131)측 단부는, 각 유입구(121)와 배출구(131)의 입구 단부로부터 상이한 거리에 위치하는 것이 특징이다. 나머지의 구성은 제2실시예와 동일하다.
즉, 인접하는 각각의 배인(500)들이 이루는 통로들로부터 애노드부 반응가스의 일정한 분배를 유도하고, 애노드부 반응가스 유입통로(120)의 배인(500)들 사이에 형성되는 가스 통로와, 코루게이트형 가스 유로(112) 및 배출통로(130)의 배인(510)들 사이에 형성되는 가스 통로간의 압력차를 균일하게 하기 위하여 가이드 배인(500)(510)의 시발 지점을 달리한 경우이다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 분리판의 구성과 가스의 흐름 설명을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 직접 내부 개질형 분리판을 가지는 용융탄산염 연료전지는, 종래의 분리판과 스택이 가지고 있던 문제점을 실질적으로 해소하여 연료전지 전체의 성능과 수명을 연장할 수 있다.
즉, 종래에는, 애노드부 반응가스를 외부 주변장치중 하나인 개질기에서 개질하여 수소를 제조한 후 스택에 공급하기 때문에, 스택 내부의 온도구배를 최소화할 수 없어 높은 성능과 장기 수명을 기대할 수 없었다.
그러나, 본 발명에서는 애노드부 반응가스를 직접 스택에 공급하여 분리판내에서 가스를 개질하고, 이의 생성물인 수소와 이산화탄소를 애노드에 직접 공급하는 구성을 가짐으로써, 용융탄산염 연료전지의 스택의 고온의 작동온도를 흡열반응인 수증기 개질 반응에 필요한 반응열로 이용할 수 있어, 스택 내부의 온도 과승을 방지함과 더불어 온도 구배를 최소화하여 연료전지의 수명을 연장하고 성능을 향상시킬 수 있으며, 외부 개질기를 없애 시스템을 단순화 할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 분리판의 테두리 부분의 밀봉부가 차지하는 빈공간을 활용하여 애노드부에 공급되는 반응가스의 공급통로와 배출통로를 형성한 구조를 가짐으로써, 종래의 내부 분배형 분리판이 가지는 매니폴드 구멍들을 형성할 필요가 없으므로, 분리판의 형상과 구조가 매우 단순화되고, 제조가 용이한 장점이 있다.
또한, 반응가스를 외부 분배 형태로 구성함으로써 분리판의 구조를 단순화할 수 있으며, 그러면서도 애노드부 반응가스의 흐름 방향과 캐소드부 반응가스의 흐 름 방향을, 종래의 외부 분배 형태에서 구현하지 못하던, 코-플로우 형태로 구현가능함으로써 발전 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 전해질 판(300)을 사이에 두고 애노드 전극판(220)과 캐소드 전극판(240)이 배치되어 단위전지를 이루며, 상기 각 단위전지들을 도전성의 분리판(100)을 개재하여 적층한 형태로 이루어지며,
    상기 분리판(100)은,
    상,하면 중간 부분에 코루게이트 형태를 가지며 촉매 코팅층이 형성된 가스 유로(112)가 형성되고, 상기 코루게이트 형 가스 유로(112)의 외곽 테두리부가 밀봉부로서 제공되는 센터 플레이트(110)가 구비되고,
    상기 가스 유로(112)의 입구 부분과 출구 부분 쪽에 위치하는 상기 센터 플레이트(110)의 양쪽 테두리 부분의 상면에는, 각각 상기 가스 유로(112)에 직교하는 방향으로 애노드부 반응가스의 유입구(121)와 배출구(131)를 제공하고, 그 상면이 상기 전해질 판(300)의 밀봉부로서 제공되는 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)가 구비되고,
    상기 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)의 유입구(121)와 배출구(131)의 선단부 사이를 이루는, 상기 센터 플레이트(110)의 한쪽 테두리 부분의 상면에는, 상기 코루게이트 형 가스 유로(112)의 한쪽 측벽을 형성함과 아울러 그 상면이 상기 전해질 판(300)의 밀봉부로서 제공되는 통체(140)가 배치되고,
    상기 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)의 유입구(121)와 배출구(131)의 후단부의 바깥부분을 이루는, 상기 센터 플레이트(110)의 한쪽 테두리 부분의 상면에는, 상기 코루게이트 형 가스 유로(112)의 반대쪽 측벽을 형성하면서 상기 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)의 후단부를 막음함과 아울러 그 상면이 상기 전해질 판(300)의 밀봉부로서 제공되는 통체(150)가 배치되고,
    상기 센터 플레이트(110)의 하면 양쪽에는, 캐소드부 반응가스 유로의 양쪽 측벽을 이루며, 또 하나의 전해질 판(300)의 밀봉부로서 제공되는 통체(160),(170)가 각각 배치되며,
    애노드부 반응가스는 상기 애노드부 공급통로(120)의 유입구(121)로 공급되어, 상기 애노드부 공급통로(120) 내부에서 1차 수증기 개질 반응이 유도된 후, 상기 코루게이트 형 가스 유로(112)로 유입되어 2차 수증기 개질 반응이 유도되어, 이에 발생된 수소와 이산화탄소가 애노드 전극에 직접 제공된 후, 상기 애노드부 배출통로(130)의 배출구(131)를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 직접 내부 개질형 분리판을 구비하는 용융탄산염 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)의 내부에는, 반응 가스의 균일한 가스 분포를 얻기 위하여, 상기 공급통로(120)와 배출통로(130)의 유입구(121)와 배출구(131)로부터 코루게이트 형 가스 유로(112)측으로 경사지는 다수개의 유입측 가이드 배인(400) 또는 (500)과 배출측 가이드 배인(410) 또는 (510)이 배치되며,
    상기 각 유입측 가이드 배인(400) 또는 (500)에서, 인접하는 배인(400) 또는 (500)들이 이루는 통로들 각각에는 촉매 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 직접 내부 개질형 분리판을 구비하는 용융탄산염 연료전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유입,배출측 가이드 배인(400)(410) 또는 (500)(510)들의 각 유입구(121)와 배출구(131)측 단부는, 각 유입구(121)와 배출구(131)의 입구 단부로부터 동일 거리에 위치하는 것을 특징으로 하는 직접 내부 개질형 분리판을 구비하는 용융탄산염 연료전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 유입,배출측 가이드 배인(400)(410) 또는 (500)(510)들의 각 유입구(121)와 배출구(131)측 단부는, 각 유입구(121)와 배출구(131)의 입구 단부로부터 상이한 거리에 위치하는 것을 특징으로 하는 직접 내부 개질형 분리판을 구비하는 용융탄산염 연료전지.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 유입,배출측 가이드 배인(400)(410) 또는 (500)(510)들의 각 배인들에 있어서, 하나 이상의 배인의 각도는 나머지 하나 이상의 배인의 각도와 상이한 것을 특징으로 하는 직접 내부 개질형 분리판을 구비하는 용융탄산염 연료전지.
  6. 제2항, 제3항, 제4항, 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 유입측 가이드 배인(400) 또는 (500)에서, 인접하는 배인(400) 또는 (500)들이 이루는 각각의 통로들의 촉매 코팅량은, 모든 통로들에서 균일한 개질율이 얻어지도록 하기 위하여, 각 통로마다 상이한 코팅량을 가지는 것을 특징으로 하는 직접 내부 개질형 분리판을 구비하는 용융탄산염 연료전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 애노드부 공급통로(120)와 배출통로(130)는, 상기 센터 플레이트(110)의 양쪽 끝부분을 각각 위로 절곡한 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 직접 내부 개질형 분리판을 구비하는 용융탄산염 연료전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 센터 플레이트(110)의 하면에서 상기 캐소드부 반응가스 유로의 양쪽 측벽을 이루는 상기 통체(160),(170)는, 코루게이트 형 가스 유로(112)의 가스 흐름 방향과 나란한 방향으로 배치되어, 캐소드부 반응가스의 흐름이 상기 애노드부 반응가스의 흐름과 동일하게 되는 것을 특징으로 하는 직접 내부 개질형 분리판을 구비하는 용융탄산염 연료전지.
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