KR100808028B1 - 단전지들이 평면 배열된 등가의 대면적 연료전지 및 이에사용되는 압축형 밀봉재 - Google Patents

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김형철
이해원
송휴섭
이종호
김성문
정화영
정훈기
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 동일 평면상에 소형 단전지들을 병렬 배치하여 등가의 대면적 셀을 구현함으로써, 대면적을 가지는 이상적인 단전지에 상응하는 높은 출력 값을 얻는다. 본 발명은 단전지들을 배치하고 고정함에 있어 별도의 부가 장치를 사용하거나 분리판을 개조하지 않고, 압축형 밀봉재의 구속 조건 및 압축력과 분리판의 구성 기술을 이용하여 간단한 방법으로 소형 단전지들을 평면 배열하고 고정하는 데 그 특징이 있다.
본 발명에 의하면, 단전지들의 배치에 유연성을 가질 수 있고, 시스템 크기 확장이 자유로우며, 분리판 디자인 및 유로 배치의 다양성을 확보할 수 있어, 이에 등가적인 이상적인 대면적 단전지의 제조시 발생하는 온도 구배와, 이에 따른 기계적 스트레스와, 가스 흐름의 불균일성의 문제점을 해소할 수 있다.
연료전지, 등가 대면적 전지, 압축형 밀봉재, 단전지, 평면 배열 기술

Description

단전지들이 평면 배열된 등가의 대면적 연료전지 및 이에 사용되는 압축형 밀봉재 {EQUIVALENT LARGE-AREA FUEL CELL WITH A PLANAR ARRAY OF UNIT CELLS AND COMPRESSIVE SEALANT THEREFOR}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 등가의 대면적 고체 산화물 연료전지(SOFC)의 단면도,
도 2는 도 1의 SOFC에서 제2 분리판과 압축형 밀봉재를 분리한 다음 위에서 본 평면도,
도 3은 도 1의 SOFC에 사용되는 압축형 밀봉재의 평면도,
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 등가의 대면적 SOFC의 단면도,
도 5는 도 4의 SOFC에서 제2 분리판과 압축형 밀봉재를 분리한 다음 위에서 본 평면도,
도 6은 도 4의 SOFC에 사용되는 압축형 밀봉재의 평면도,
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 등가의 대면적 SOFC에서 제2 분리판과 압축형 밀봉재를 분리한 다음 위에서 본 평면도,
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 등가의 대면적 SOFC에 사용되는 압축형 밀봉재의 평면도,
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 등가의 대면적 SOFC에서 제2 분리판과 압축형 밀봉재를 분리한 다음 위에서 본 평면도,
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 등가의 대면적 SOFC에 사용되는 압축형 밀봉재의 평면도,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제1 분리판 내에 5×5 ㎠ 단전지 4장을 2×2 행렬의 평면 배열(array) 방식으로 임베딩(embedding)하여 장착한 사진,
도 12는 도 11에 나타낸 평면 배열된 단전지들 위에 압축형 밀봉재를 로딩한 후의 사진,
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 5×5 ㎠ 단전지 4장이 2×2 행렬로 평면 배열된 등가의 대면적 SOFC의 출력 특성을 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 제2 분리판 11: 제1 분리판
20: 압축형 밀봉재 21: 전극 창
23: 제1 가스의 입구 창 24: 제1 가스의 출구 창
25: 제2 가스의 입구 창 26: 제2 가스의 출구 창
31: 제2 전극 32: 전해질
33: 제1 전극 40: 칸막이
41: 가스 채널 51: 제1 가스 입구
52: 제2 가스 입구 61: 제1 가스 출구
62: 제2 가스 출구
본 발명은 이상적인 대면적 단전지에 상응하는 높은 출력 값을 달성하기 위해 동일 평면상에 고효율 소면적 단전지들을 병렬 배치하여 대면적 단전지와 동등한 출력 특성을 구현한 등가의 대면적 연료전지 및 이에 사용되는 압축형 밀봉재에 관한 것이다. 이러한 등가의 대면적 연료전지는 가정용, 자동차용, 혹은 발전용 고출력 전력 원으로 사용될 수 있다.
연료전지는 산화제와 연료의 전기화학 반응을 이용한 에너지 변환 장치로서 연료의 화학 에너지를 열·기계적인 에너지로 전환하는 과정을 거치지 않고 전기 에너지로 변환시켜 주어 기존의 발전 시스템에 비하여 발전 효율이 높고, 친환경성이 우수하여, 미래의 전력 원으로 현재 많은 연구가 진행되고 있다.
연료전지는 사용 전해질과 연료에 따라 인산형 연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cell; PAFC), 고분자 전해질 멤브레인 연료전지 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC), 용융 탄산염 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell; MCFC), 직접 메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell; DMFC), 고체 산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell; SOFC) 등으로 나눌 수 있다. PEMFC는 80℃ 부근, PAFC는 200℃ 부근, MCFC는 650℃ 부근, SOFC는 800℃ 부근의 작동 범위를 갖는다.
이 중에서 구성 물질이 모두 세라믹과 금속과 같은 고체상으로 이루어진 SOFC는 가장 높은 효율을 가지고 있고, 연료 선택의 다양성 및 폐열의 재활용과 같은 많은 장점들을 가지고 있다. SOFC는 그 발전 크기에 따라 다양한 규모로 분류되 어 개발이 진행되고 있다. 수 W 이하 급의 마이크로-SOFC 시스템에서부터, 1 ~ 20 kW 규모의 가정용 및 상업용 발전 열병합 시스템, 50 ~ 100 kW 급의 자동차용 보조 전원 (Auxiliary Power Unit; APU) 시스템, 250 kW ~ MW 급의 대용량 발전 및 분산 전원 시스템까지 포함하는 광범위한 개발 범위를 가지고 있다.
SOFC를 비롯한 연료전지의 개발은 그 발전 규모에 따라 적절한 단전지의 개발과, 단전지와 밀봉재와 분리판을 포함하는 스택화 기술과, 각종 연료 공급 장치 및 전력 이용 장치를 제어하는 부수 장치 기술을 수반한다. 이 중에서 SOFC 발전 시스템의 심장이라 할 수 있는 단전지 개발 및 스택화 기술은 고도의 세라믹 공정 기술을 바탕으로 진행된다. 세라믹 공정 기술은 세라믹 특유의 내열성, 고강도, 고경도, 고인성, 내식성의 장점에도 불구하고, 높은 취성과 낮은 성형성으로 그 제조 공정이 복잡하고 난해하기로 널리 알려져 있다.
대출력을 목표로 하는 발전용 시장에서는 특히 저출력 단전지를 사용하는 데 애로가 많다. 저출력의 성능을 보유한 소면적 연료전지는 대출력 스택의 구현을 위해 단전지의 적층이 많아질 수밖에 없고, 이는 분리판 수의 증가로 이어져, 전체 스택의 소형화 및 제조단가 감소 추세에 역행하고 큰 경제적 단점으로 작용한다.
따라서 고출력을 목표로 하는 SOFC 단전지의 대면적화는 시대적 과제이나 그 공정 기술의 한계로 인해 낮은 생산성과 높은 비용에 의한 낮은 경제성으로 큰 어려움에 직면해 있다. 또한, 적정의 공차 수준으로 제조된 대면적 SOFC 단전지일지라도, 운전 중에 생기는 열 구배로 인해 많은 스트레스가 수반되고 이는 고출력을 지향하는 대면적 셀의 가장 큰 걸림돌로 여겨지고 있다.
연료전지 전반에 걸쳐서도 대면적 단전지 구성은 중요한 연구 방향이자 걸림돌로 분류되고 있는데, 이와 같은 대면적 단전지의 제조상의 어려움과 대면적 셀의 높은 열 응력 문제 등을 해결하는 여러 방안 중의 하나로 제안되고 있는 것이 평면 배열 멀티 셀 구조이다. 여기서, 평면 배열 멀티 셀 구조라 함은 소형 단전지들을 평면 배열시켜 등가의 대면적 전지를 형성하는 구조를 의미한다.
기존의 평면 배열 멀티 셀 구조는 분리판과 연료극 방면 멀티 셀 프레임 위에 소형의 단전지들을 장착하고 적절한 밀봉재와 공기극 방면 멀티 셀 프레임을 순차적으로 조립하여 구성하는 방식을 취한다.
하지만, 소형 단전지들을 평면 배열하고 고정함에 있어 별도의 부가 장치를 사용하고, 분리판의 복잡한 가공 혹은 개조에 따라 분리판 제조 공정이 복잡해지는 문제가 있으며, 더욱이 SOFC 분야에서는 그 기술의 선택성과 적용 생존성이 더욱 난해하여 적절한 해결책이 제시되고 있지 못한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,
첫째, 압축형 밀봉재의 구속 조건과 고효율 소면적 단전지의 평면 배열을 통하여 이상적인 대면적 단전지에 상응하는 높은 출력 값을 얻는데 그 목적이 있다. 본 발명에서 사용되는 압축형 밀봉재 응용 기술은, 기존에 제안되었던 다양한 복합 배열 단전지 구조 시스템과는 달리, 밀봉재의 구속 조건과 압축 체결압 만으로도 안정적인 단전지의 배치 및 고정을 이루어, 분리판의 제작이나 경제성 측면에서도 탁월한 기여를 한다.
둘째, 본 발명은 구조적 형태의 다양한 응용을 통해서 평판형 연료전지 스택에서 나타나는 온도 구배, 가스 흐름의 불균일성, 기계적 스트레스 등을 해소하는 응용 디자인을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
- 내측 면에 홈이 형성된 제1 분리판과,
- 상기 제1 분리판의 홈에 삽입되며, 동일 평면상에 배열된 복수의 제1 전극과,
- 상기 복수의 제1 전극 위에 각각 위치하는 복수의 전해질과,
- 상기 복수의 전해질 위에 각각 위치하는 복수의 제2 전극과,
- 상기 복수의 제2 전극을 덮는 제2 분리판과,
- 상기 제1 및 제2 분리판 사이에서 이 둘을 밀봉하는 압축형 밀봉재
를 포함하는 등가의 대면적 연료전지를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
복수의 전극 창이 적절한 크기 및 모양으로 패턴 형성되어 있고, 서로 다른 두 가스의 입구 창 및 출구 창이 형성된 것을 특징으로 하는 등가의 대면적 연료전지용 압축형 밀봉재를 제공한다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 등가의 대면적 연료전지에 관한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.
이하의 실시예들에서는 고체 산화물 연료전지에 관해서만 설명하고 있으나, 본 발명의 내용은 이에 한정되지 않고, 다른 연료전지에 대해서도 적용 가능하다.
또한, 이하의 실시예들에서는 제1 전극이 연료극이고, 제2 전극이 공기극인 경우를 가정하여 주로 설명하고 있지만, 본 발명의 내용은 제1 전극이 공기극이고, 제2 전극이 연료극인 경우에도 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 등가의 대면적 고체 산화물 연료전지(SOFC)의 단면도이고, 도 2는 도 1의 SOFC에서 제2 분리판(10)과 압축형 밀봉재(20)를 분리한 다음 위에서 본 평면도이며, 도 3은 도 1의 SOFC에 사용되는 압축형 밀봉재(20)의 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 등가의 대면적 SOFC는, 내측 면에 홈이 형성된 제1 분리판(11)과, 제1 분리판(11)의 홈에 삽입되며 동일 평면상에 배열된 복수의 제1 전극(33)과, 복수의 제1 전극(33) 위에 각각 위치하는 복수의 전해질(32)과, 복수의 전해질(32) 위에 각각 위치하는 복수의 제2 전극(31)과, 복수의 제2 전극(31)을 덮는 제2 분리판(10)과, 제1 및 제2 분리판(11, 10) 사이에서 이 둘을 밀봉하는 압축형 밀봉재(20)를 포함한다.
본 발명의 등가의 대면적 SOFC는 임베딩 타입(embedding type)의 기밀 시스템(sealing system)을 통해 달성된다. 임베딩 타입의 기밀 시스템은 단전지들이 제1 분리판(11) 내에 삽입되어 장착되고, 그 위에 압축형 밀봉재(20)와 제2 분리판(10)이 전해질(32)의 상면과 제2 전극(31)의 상부를 각각 덮는 형태로 조립되고 소정의 체결 압력으로 눌러 기밀을 유지하는 방식이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 분리판(11)의 내측 면에 형성된 홈 내에서, 4개의 제1 전극 내지 4개의 단전지(1개의 단전지는 제1 전극 1개, 전해질 1개 및 제2 전극 1개로 구성됨)가 동일한 크기를 가지고 동일 평면상에 2×2 행렬로 정렬되어 있다. 제1 및 제2 분리판 중 전극과 접촉하는 부분에는 채널(channel)이 형성되어 있어, 가스 흐름의 방해 없이 각 전극에 기체가 잘 공급될 수 있게 한다. 도 1에서는 대향류(counter flow) 형태로 가스 공급이 이루어지는 분리판에 관해 도시하고 있지만, 본 발명의 내용은 가스 공급 방식에 따른 구애를 받지 않고 교차류(cross flow)나 평행류(co-flow) 등에도 적용할 수 있다. 또한, 동일 평면상에 배열된 단전지들을 고정하기 위한 보조 기구로서 복수의 제1 전극(33)을 구획하는 칸막이(40)가 형성되어 있다. 이 칸막이(40)에는 가스의 이동 통로인 가스 채널(41)이 형성될 수도 있는데, 가스의 이동 통로가 확보됨에 따라 제1 가스 입구 및 출구의 수를 줄일 수 있게 된다.
SOFC의 작동을 위해 공급되는 연료 가스(제1 가스)와 산화 가스(제2 가스)는, 도 2에서 도시된 바와 같이, 각각 제1 가스 입구(51)와 제2 가스 입구(52)를 통해서 각 단전지로 공급된다. 또한, 전기 화학 반응 후, 남은 반응가스(reactants)와 생성가스(products)는 제1 가스 출구(61)와 제2 가스 출구(62)를 통해 외부로 배출된다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 압축형 밀봉재(20)에는 복수의 제2 전극(31)과 각각 대응하는 전극 창(window)(21)이 동수(同數)로 패턴 형성되어 있으며, 각각의 전극 창(21)은 대응하는 제2 전극(31)의 크기와 같거나 크게 형성되어 있다. 또한, 압축형 밀봉재(20)에는 제1 전극(33)에 주입되는 제1 가스의 입구 창(23) 및 출구 창(24)과, 제2 전극(31)에 주입되는 제2 가스의 입구 창(25) 및 출구 창(26)이 형성되어 있다. 이러한 구조를 채택한 이유는 단전지에 공급되는 연료 가스(제1 가스)와 산화 가스(제2 가스)가 서로 섞이지 않게 제1 및 제2 가스의 입구와 출구 주위를 실링하고, 또한 단전지와 분리판 주위를 실링하기 위해 적절한 밀봉재의 폭과 넓이가 요구되기 때문이다.
이러한 압축형 밀봉재(20)를, 본 발명의 등가의 대면적 SOFC 내에 평면 배열된 단전지들을 고정하는 측면에서 살펴보기로 한다. 본 발명에서 압축형 밀봉재(20)는 외곽의 테두리부와, 전극 창(21)을 형성하는 구획부를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 테두리부는 동일 평면상 외곽에 배열된 전해질 상면의 바깥쪽 가장자리와 제1 분리판 상면의 안쪽 가장자리에 동시에 접촉하여, 외곽에 배열된 전해질을 제1 분리판에 고정시켜 준다. 또한, 상기 구획부는 이웃하는 두 전해질 상면의 각 가장자리에 동시에 접촉하여, 이웃하는 두 전해질을 고정시켜 준다.
결국, 본 발명은 평면 배열된 단전지들을 고정함에 있어 별도의 부가 장치를 사용하거나 분리판을 개조하지 않고, 제1 분리판에 단전지들을 임베딩하여 장착하고 상기한 구조의 압축형 밀봉재를 개재한 채 소정의 체결 압력을 가하는 간단한 방법으로 소형 단전지들을 평면 배열하고 고정시키며 SOFC의 기밀을 유지할 수 있게 된다.
본 발명에서 사용되는 압축형 밀봉재(20)는 유리 기지 상에 섬유상, 판상, 입상 등의 다양한 형상의 보강재를 넣어 사용하는 것이 바람직하다. 예컨대, B2O3-SiO2, Al2O3-B2O3-SiO2, 또는 CaO-B2O3-SiO2의 유리 조성을 갖는 기지 상에, 5∼60 부피% 함량의 판상 보강재(두께 0.2∼1㎛, 종횡비 5∼50)를 수평으로 배향하여 위치시켜 밀봉재의 양 표면층을 구성하면, 높은 기계적 압력 하에서도 계면 강도를 낮게 유지하여 열 사이클 안정성이 향상될 수 있다.
이러한 압축형 밀봉재를 이용하면, 기존에 제안되었던 다양한 복합 배열 단전지 구조 시스템과는 달리, 밀봉재의 구속 조건과 압축 체결압 만으로도 안정적인 단전지의 배치 및 고정을 이루어, 분리판의 제작이나 경제성 측면에서도 탁월한 기여를 할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에서 채택한 압축 가압형 밀봉 방식은 두께를 자유롭게 조절할 수 있고, 보강재인 섬유상 입자의 선택적 배향성을 조절할 수 있기 때문에 스택 적용 단계에서 주어지는 압력의 차이에도 거의 동일한 기밀성을 확보할 수 있다. 특히, 고온에서 유리의 점성 유동이 일어나는 조건에서도 섬유상 입자의 배열 상태가 가해진 압력에 의하여 점진적으로 변하기 때문에 밀봉재 기판을 매우 광범위한 압력 범위에서 적용할 수 있다. 따라서 적절하게 가해지는 체결압과 작동 온도의 상호 작용에 의해 단전지의 밀봉이 구현되고, 동시에 이때 사용되는 수직 체결압이 평면 배열된 단전지의 안정적인 배치 또한 구현해 낼 수 있다. 결국, 본 발명에서 채택한 간단한 구조의 단전지 배열 방식과 밀봉 방식에 의하면, 분리판에 추가적인 단전지 고정 기구의 사용이 불필요하고, 또한 가스 매니폴드의 복잡 형상 가공도 필요 없게 된다.
도시하진 않았지만, 제1 분리판(11)과 제1 전극(33) 사이에 제1 집전체가 개재될 수도 있고, 제2 분리판(10)과 제2 전극(31) 사이에 제2 집전체를 개재될 수도 있다. 제1 및 제2 집전체는 전도 전도의 효율을 높이기 위한 것으로, 니켈(Ni), 플래티넘(Pt), 금(Au), 은(Ag) 등의 재료로 이루어질 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 등가의 대면적 SOFC의 단면도이고, 도 5는 도 4의 SOFC에서 제2 분리판(10a)과 압축형 밀봉재(20a)를 분리한 다음 위에서 본 평면도이며, 도 6은 도 4의 SOFC에 사용되는 압축형 밀봉재(20a)의 평면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 등가의 대면적 SOFC는 내측 면에 홈이 형성된 제1 분리판(11a)과, 제1 분리판(11a)의 홈에 삽입되며 동일 평면상에 배열된 복수의 제1 전극(33a)과, 복수의 제1 전극(33a) 위에 각각 위치하는 복수의 전해질(32a)과, 복수의 전해질(32a) 위에 각각 위치하는 복수의 제2 전극(31a)과, 복수의 제2 전극(31a)을 덮는 제2 분리판(10a)과, 제1 및 제2 분리판(11a, 10a) 사이에서 이 둘을 밀봉하는 압축형 밀봉재(20a)를 포함한다.
본 실시예에 따른 SOFC 또한 전술한 제1 실시예와 마찬가지로 임베딩 타입의 기밀 시스템을 취하고, 전술한 구조의 압축형 밀봉재를 사용함으로써 본 발명의 효과를 달성할 수 있다. 즉, 제1 분리판(11a)에 단전지들을 임베딩하여 장착하고 도 6에 나타낸 압축형 밀봉재(20a)를 개재한 채 소정의 체결 압력을 가하는 간단한 방법으로 소형 단전지들을 평면 배열하고 고정시키며 SOFC의 기밀을 유지할 수 있게 된다.
전술한 제1 실시예에서 설명된 내용은 본 실시예에 동일하게 적용될 수 있으므로, 압축형 밀봉재(20a) 등에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
다만, 본 실시예에서는 전술한 제1 실시예에서와 같이 동일 평면상에 배열된 단전지들을 고정하기 위하여 별도의 칸막이를 사용하지 않고, 각 단전지의 외곽 형상과 제1 분리판의 임베딩 구조 형상(즉, 홈 형상)만을 이용하여 단전지를 삽입 고정한 후, 압축형 밀봉재의 구속 조건과 압축 체결 압력에 의해 등가의 대면적 셀을 구성하였다. 즉, 본 실시예에서는 이웃하는 두 제1 전극(33a)이 서로 접촉하는 구조인 것을 특징으로 한다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 등가의 대면적 SOFC에서 제2 분리판과 압축형 밀봉재를 분리한 다음 위에서 본 평면도이고, 도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 등가의 대면적 SOFC에 사용되는 압축형 밀봉재(20b)의 평면도이다.
본 실시예는 제2 실시예와 마찬가지로 동일 평면상에 배열된 단전지들을 고정하기 위하여 별도의 칸막이를 사용하지 않고, 이웃하는 두 제1 전극이 서로 접촉하는 구조이다.
전술한 제1 및 제2 실시예에서 설명된 내용은 본 실시예에 동일하게 적용될 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 비정방형 단전지의 평면 배열을 통해 등가의 대면적 셀을 구현하였다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 등가의 대면적 SOFC에서 제2 분리판과 압축형 밀봉재를 분리한 다음 위에서 본 평면도이고, 도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 등가의 대면적 SOFC에 사용되는 압축형 밀봉재(20c)의 평면도이다.
본 실시예는 제1 분리판(11c)에 단전지 16장을 4×4 행렬의 평면 배열 방식으로 임베딩하여 별도의 칸막이 없이 장착한 경우(도 9 참조)를 나타낸다. 이 SOFC에 사용되는 압축형 밀봉재(20c)도 4×4 행렬의 전극 창(21c)를 가지고 있음을 알 수 있다(도 10 참조). 전술한 제1 및 제2 실시예에서 설명된 내용은 본 실시예에 동일하게 적용될 수 있다.
실시예
단전지는 8 mol% Y2O3-ZrO2 (Yittria Stabilized Zirconia; YSZ)를 전해질로 사용하였고, NiO-YSZ 복합재료를 제1 전극(연료극)으로, La0 .8Sr0 .2MnO3(LSM)와 YSZ의 복합 재료를 제2 전극(공기극)으로 사용하였다. 단전지들을 고정하기 위한 보조기구로서 어떠한 형태의 칸막이 구조를 사용하지 않고 셀을 10.4 x 10.4 ㎠ 크기의 제1 분리판(연료극 방면 분리판)의 임베딩 위치에 장착하였다(도 11 참조).
위와 같이 2×2 행렬의 평면 배열 방식으로 제1 분리판 내에 단전지들을 장착한 후, 이 멀티 셀 구조에 사용되는 압축형 밀봉재를 평면 배열한 단전지들 위에 로딩하였다(도 12 참조). 20 x 20 ㎠ 크기의 판상으로 성형한 압축형 밀봉재를 적절한 열을 바탕으로 절단하여 원하는 멀티 셀 구조에 적합한 밀봉 형상으로 제작하였다.
이렇게 완성한 제1 분리판, 단전지, 압축형 밀봉재의 다층 구조 위에 제2 분리판(공기극 방면 분리판)을 얹어서 적절한 압력으로 체결하여 전기로에서 셀 성능 을 측정하였다. 셀 성능은 800 ℃부터 650 ℃까지 다양한 온도 구간에서 3% H2O를 함유한 수소를 연료 가스로, 공기를 산화 가스로 사용하여 측정하였다.
도 13은 이렇게 완성한 5×5 ㎠ 단전지 4장이 2×2 행렬로 평면 배열된 등가의 대면적 SOFC의 출력 특성을 나타내는 그래프이다.
4장으로 구성한 등가의 대면적 셀은 전체 유효 면적이 64 ㎠ 이고, 800 ℃에서 0.7 V에서 출력밀도 0.48 W/㎠ 을 달성하였다. 이러한 값은 동일한 운전 조건, 동일한 전극 구성을 갖는 10 x 10 ㎠ 단전지 1장의 출력밀도 0.45 W/㎠ 보다 훨씬 향상된 값이다.
따라서, 본 발명에 의하면 소형 단전지들을 평면 배열하여 등가의 대면적 전지를 형성할 수 있고, 이것은 이상적인 대면적 단전지에 상응하는 높은 출력 값을 보이는 단전지 스택 디자인 기술 확보를 가능하게 한다.
본 발명에 의하면, 동일 평면상에 소형 단전지들을 병렬 배치하여 등가의 대면적 셀을 구현함으로써, 대면적을 가지는 이상적인 단전지에 상응하는 높은 출력 값을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 단전지들을 배치하고 고정함에 있어 별도의 부가 장치를 사용하거나 분리판을 개조하지 않고, 압축형 밀봉재의 구속 조건 및 압축력과 분리판의 구성 기술을 이용하여 간단한 방법으로 소형 단전지들을 평면 배열하고 고정시킬 수 있다. 이는 분리판 수의 감소를 유도하여 전체 스택의 소형화와 제조 단가 감소와 관련하여 큰 경제적 가치를 창출한다.
또한, 본 발명에 의하면, 단전지들의 배치에 유연성을 가질 수 있고, 시스템 크기 확장이 자유로우며, 분리판 디자인 및 유로 배치의 다양성을 확보할 수 있어, 이에 등가적인 이상적인 대면적 단전지의 제조시 발생하는 온도 구배와, 이에 따른 기계적 스트레스와, 가스 흐름의 불균일성의 문제점을 해소할 수 있다.
본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (11)

  1. 내측 면에 홈이 형성된 제1 분리판과,
    상기 제1 분리판의 홈에 삽입되며, 동일 평면상에 배열된 복수의 제1 전극과,
    상기 복수의 제1 전극 위에 각각 위치하는 복수의 전해질과,
    상기 복수의 전해질 위에 각각 위치하는 복수의 제2 전극과,
    상기 복수의 제2 전극을 덮는 제2 분리판과,
    상기 제1 및 제2 분리판 사이에서 이 둘을 밀봉하는 압축형 밀봉재를 포함하는
    등가의 대면적 연료전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극을 구획하는 칸막이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 등가의 대면적 연료전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 칸막이에는 가스의 이동 통로인 가스 채널이 형성된 것을 특징으로 하는 등가의 대면적 연료전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    이웃하는 두 제1 전극이 서로 접촉하는 구조인 것을 특징으로 하는 등가의 대면적 연료전지.
  5. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 압축형 밀봉재에는 상기 복수의 제2 전극과 각각 대응하는 전극 창(window)이 동수(同數)로 패턴 형성되어 있으며, 각각의 전극 창은 제2 전극의 크기와 모양에 맞게 대응하는 것을 특징으로 하는 등가의 대면적 연료전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 압축형 밀봉재에는 상기 제1 전극에 주입되는 제1 가스의 입구 창 및 출구 창과, 상기 제2 전극에 주입되는 제2 가스의 입구 창 및 출구 창이 더 형성된 것을 특징으로 하는 등가의 대면적 연료전지.
  7. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 압축형 밀봉재는, 동일 평면상 외곽에 배열된 전해질 상면의 바깥쪽 가장자리와 상기 제1 분리판 상면의 안쪽 가장자리에 동시 접촉하는 테두리부와, 이웃하는 두 전해질 상면의 각 가장자리에 동시 접촉하는 구획부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 등가의 대면적 연료전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 분리판과 제1 전극 사이 및 상기 제2 분리판과 제2 전극 사이에 각각 개재된 제1 및 제2 집전체를 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 집전체는 니켈(Ni), 플래티넘(Pt), 금(Au), 은(Ag)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 등가의 대면적 연료전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극이 동일한 크기를 가지고 동일 평면상에 M×N(여기서, M 및 N은 자연수) 행렬로 정렬된 것을 특징으로 하는 등가의 대면적 연료전지.
  10. 복수의 전극 창이 동일한 크기 및 모양으로 패턴 형성되어 있고, 서로 다른 두 가스의 입구 창 및 출구 창이 형성된 것을 특징으로 하는
    등가의 대면적 연료전지용 압축형 밀봉재.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 전극 창은 M×N(여기서, M 및 N은 자연수) 행렬로 정렬된 것을 특징으로 하는 등가의 대면적 연료전지용 압축형 밀봉재.
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