KR100889267B1 - 고체산화물 연료전지용 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지용 셀에 관한 것으로서, 연료극에 중공부가 형성되고 상기 중공부가 가스확산유로로 활용됨으로써 연료가스의 확산 성능을 향상시킬 수 있고, 상기 중공부가 강도보강 또는 집전효율을 높일 수 있는 강도보강홀, 및 집전홀로 활용될 수 있어 집전 효율을 높여 연료전지의 전기에너지 생산효율을 높일 수 있으며, 셀의 강도를 향상시킬 수 있는 고체산화물 연료전지용 셀에 관한 것이다.
본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀은 전해질층(10); 상기 전해질층(10)의 양측 면에 각각 접촉형성되는 연료극(20), 및 공기극(30)으로 이루어지는 고체산화물 연료전지용 셀(100)에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지용 셀(100)은 상기 연료극(20)에 중공부(21)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀은 중공부를 형성하고 상기 중공부를 유효한 가스확산유로로 활용하여 전해질층에 가스 분압차의 상승 없이 연료가스를 이동시켜 반응이 더욱 용이하게 진행되도록 하며, 연료가스의 확산성을 높이고 확산저항에 의한 손실을 낮춰 낮은 연료 분압 및 고전류 운전 영역에서도 많은 전기에너지를 생산할 수 있어 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있고, 연료극의 산화환원반응을 빠르게 유도함으로써 셀 및 성능의 안정화를 신속히 유도할 수 있다.
또한, 본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀은 상기 중공부를 강도보강홀로 활용하고 상기 강도보강홀에 강도보강부재가 삽입되어 연료극 및 고체산화물 연료전지용 셀을 지지할 수 있는 기계적 강도를 얻을 수 있으며, 상기 중공부를 집전홀로 활용하고 상기 집전홀에 집전부재가 삽입되며 집전층이 형성되어 전자의 손실량을 줄일 수 있고 빠르게 집전하여 집전 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
집전, 고체산화물 연료전지, 공기극, 연료극, 확산

Description

고체산화물 연료전지용 셀{Solid Oxide Fuel Cell}
본 발명은 고체산화물 연료전지용 셀에 관한 것으로서, 연료극에 중공부가 형성되고 상기 중공부가 가스확산유로로 활용됨으로써 연료가스의 확산 성능을 향상시킬 수 있고, 상기 중공부가 강도보강 또는 집전효율을 높일 수 있는 강도보강홀, 및 집전홀로 활용될 수 있어 집전 효율을 높여 연료전지의 전기에너지 생산효율을 높일 수 있으며, 셀의 강도를 향상시킬 수 있는 고체산화물 연료전지용 셀에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로, 수소, 산소와 같이 지구상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기 에너지를 발생시키는 새로운 친환경적 미래형 에너지 기술이다.
연료전지는 공기극(Cathode)에 산소가 공급되고 연료극(Anode)에 연료가스가 공급되어 물의 전기분해 역반응 형태로 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 및 물이 발생되어 공해를 유발하지 않으면서도 고효율로 전기에너지를 생성한다.
이와 같은 연료전지는 종래 열기관에서 한계로 작용하는 카르노 순환(Carnot Cycle)의 제한으로부터 자유롭기 때문에 40% 이상의 효율을 올릴 수 있으며, 상술 한 바와 같이 배출되는 물질이 물뿐이므로 공해의 우려가 없으며, 종래 열기관과는 달리 기계적으로 운동하는 부분이 불필요하기 때문에 소형화가 가능하고 소음이 없는 등 다양한 장점을 가지고 있다. 따라서 연료전지에 관련된 각종 기술 및 연구가 활발하게 진행되고 있다.
연료전지는 그 전해질 종류에 따라 인산 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융 탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell), 알칼리 연료전지(AFC, Alkaline Fuel Cell) 등 여섯 가지 종류 정도가 실용화되었거나 계획 중에 있다. 각 연료전지들의 특징을 하기의 표에 정리하였다.
Figure 112007055466816-pat00001
상기 표에서 알 수 있듯이 각각의 연료전지들은 그 출력범위 및 사용용도 등이 다양하여 목적에 따라 알맞은 연료전지를 선택할 수 있으며, 이 중에서도 상기 고체 산화물 연료전지는 작동온도가 높으나, 약 45%의 높은 효율 및 전료밀도를 얻을 수 있어 대규모 발전에 이용가능하다는 장점이 있다.
도 1은 상기 고체 산화물 연료전지의 작동원리를 나타낸 개념도로, 공기극에 산소가 공급되고, 연료극에 수소가 공급된다. 이 때의 반응은 하기의 식을 따른다.
Figure 112007055466816-pat00002
상기한 바와 같은 특징을 가지는 고체 산화물 연료전지는 상기 연료극에 공급되는 수소의 확산성능이 높을수록 연료전지의 효율을 높일 수 있으므로 상기 연료극에 공급되는 수소의 확산성을 높이기 위해 인위적으로 고분자, 또는 카본 등의 첨가물을 부가하여 기체확산층을 형성한다.
그러나 상기 종래의 고체 산화물 연료전지는 상기 기체확산층에 첨가물을 부가하여 기공이 형성되므로 고체 산화물 연료전지의 강도가 저하되고, 상기 문제점을 해결하기 위해 연료극의 두께를 늘리게 되면 연료극의 두께가 두꺼워질수록 가스의 확산이 저하되며, 이로 인해 연료전지의 성능이 하락되는 문제점을 유발된다. 특히, 고전류 영역에서는 연료전지의 성능에 큰 손실이 발생된다.
또한, 반응이 진행될수록 탄소침적 등에 의해 상기 가스확산부 통로가 막혀 전해질층과 맞닿는 촉매층으로의 연료공급이 차단되고, 연료극으로부터 생성되는 전지를 집전하는데 어려움이 있어 전력이 손실되는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전해질층에 연료가스가 원활이 공급되도록 하여 연료가스의 확산성을 높이고 확산저항을 낮춰 낮은 연료 분압 및 고전류 운전 영역에서도 높은 성능을 얻을 수 있는 고체산화물 연료전지용 셀을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 연료전지의 강도를 보강하면서도 집전에 의한 저항을 최소화함으로써 불필요한 전력손실을 없앨 수 있는 고체산화물 연료전지용 셀을 제공하는 것이다.
본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀(100)은 전해질층(10); 상기 전해질층(10)의 양측 면에 각각 접촉 형성되는 연료극(20), 및 공기극(30)으로 이루어지는 고체산화물 연료전지용 셀(100)에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지용 셀(100)은 상기 연료극(20)에 중공부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중공부는 연료가스가 이동되는 가스확산유로(23)를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 중공부는 강도보강홀(25)을 형성하며, 상기 강도보강홀(25)에 강도 보강부재(26)가 삽입되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 중공부는 집전홀(27)을 형성하며, 상기 집전홀(27)에 집전부재(28)가 삽입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료극(20)은 외측 일면에 상기 집전부재(28)와 연속되는 집전층(29)이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 연료극(20)은 상기 가스확산유로(23)의 일정 영역이 확장형성되는 확장부(24)가 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 중공부는 상기 연료극(20)의 세로방향으로 길게 형성되는 것을 특징으로 하거나, 상기 중공부는 상기 연료극(20)의 가로방향으로 길게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중공부는 서로 연결되어 연속적인 유로를 형성하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀은 중공부를 형성하고 상기 중공부를 유효한 가스확산유로로 활용하여 전해질층에 가스 분압차의 상승 없이 연료가스를 이동시켜 반응이 더욱 용이하게 진행되도록 하며, 연료가스의 확산성을 높이고 확산저항에 의한 손실을 낮춰 낮은 연료 분압 및 고전류 운전 영역에서도 많은 전기에너지를 생산할 수 있어 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있고, 연료극의 산화환원반응을 빠르게 유도함으로써 셀 및 성능의 안정화를 신속히 유도할 수 있다.
또한, 본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀은 상기 중공부를 강도보강홀로 활용하고 상기 강도보강홀에 강도보강부재가 삽입되어 연료극 및 고체산화물 연료전지용 셀을 지지할 수 있는 기계적 강도를 얻을 수 있으며, 상기 중공부를 집전홀로 활용하고 상기 집전홀에 집전부재가 삽입되며 집전층이 형성되어 전자의 손실량을 줄일 수 있고 빠르게 집전하여 집전 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀(100)을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀(100)의 사시도이고, 도 3은 상기 도 2에 도시한 본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀(100)의 AA'방향 단면도이며, 도 4는 상기 도 2에 도시한 본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀(100)의 BB'방향 단면도이다.
상기 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 전해질층(10); 연료극(20); 및 공기극(30)으로 이루어지는 고체산화물 연료전지용 셀(100)에 있어서, 상기 연료극(20)에 중공부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료극(20)과 공기극(30)은 각각 상기 전해질층(10)의 양측면에 접촉형성되며, 상기 연료극(20)을 통해 상기 전해질층에(10) 연료가스가 얼마나 용이하게 이동될 수 있는지에 따라 연료전지의 효율에 큰 영향을 끼치므로, 상기 중공부를 연료가스가 이동되는 가스확산유로(23)로 활용함으로써 상기 연료극(20)에 중공부를 형성하여 연료가스의 분압차 및 확산저항을 줄임으로써 낮은 연료 분압 및 고전류 영역에서도 많은 전기에너지를 생산할 수 있어 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있고, 연료극의 산화환원반응을 빠르게 유도함으로써 셀 및 성능의 안정화를 신속히 유도할 수 있다.
특히, 본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀(100)은 대면적 셀에서 그 효과를 극대화 할 수 있다.
상기 가스확산유로(23)는 상기 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 세로방향으로 길게 복수개가 형성되어 표면적을 넓혀 각각의 가스확산유로(23)를 통해 연료가스가 이동되며 이동 거리를 줄여 더욱 빠르게 연료가스가 확산되도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀(100)의 실시예를 나타낸 도면으로, 상기 도 5의 (a)는 상기 연료극(20)에 상기 가스확산유로(23)의 내측 단부 영역이 확장되어 상기 연료극(20)의 촉매극와 접촉되는 면적을 확보할 수 있도록 한 예를 도시하였고, 상기 도 5의 (b)는 상기 가스확산유로가 가로방향으로 형성된 예를 도시하였다.
상기 연료극(20)은 크게 상기 전해질층(10)에 인접하여 상기 중공부가 형성되지 않는 제1층(21)과, 중공부가 형성되는 제2층(22)으로 형성될 수 있으며, 상기 제1층(21)은 전해질층(10)과 인접한 부분으로 3상계면에 의한 반응이 직접적으로 빠르게 일어날 수 있도록 상기 중공부가 형성되지 않는 층이고, 상기 제2층(22)은 상기 가스확산유로(23)가 형성되어 연료가스가 원활히 공급될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
더욱 상세하게, 상기 확장부(24)는 상기 연료극(20) 내부에 일정 영역이 확장형성된 부분을 뜻하며, 상기 도 5의 (a)에는 상기 가스확산유로(23)의 내측 단부가 확장된 예를 도시하였으나 본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀(100)은 다양하게 변형실시가능하다.
도 6은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀(100)의 다른 실시예를 나타낸 도면으로, 상기 도 6 (a)는 상기 연료극(20)에 형성된 중공부의 일부가 기체확산유로(23)를 형성하고, 나머지가 강도보강홀(25)을 형성하며, 상기 강도보강홀(25)에 강도보강부재(26)가 삽입된 예를 도시하였다.
상기 강도보강홀(25)은 상기 연료극(20)에 상기 가스확산유로(23)가 형성됨에 따라 연료극(20)의 강도가 취약해짐을 방지하기 위해 형성되는 구성으로써, 고체산화물 연료전지용 셀(100)의 크기 및 상기 가스확산유로의 형성 개수 및 크기에 따라 다양하게 형성될 수 있다.
도 6 (b)는 상기 연료극(20)에 형성된 중공부의 일부가 기체확산유로(23)를 형성하고, 나머지가 집전홀(27)을 형성하며, 상기 집전홀(27)에 집전부재(28)가 삽입된 예를 도시한 것으로, 상기 중공부를 집전홀(27)로 활용하고 집전부재(28)가 삽입형성됨에 따라 생성된 전기에너지의 집전효율을 높이게 된다.
일반적으로 연료전지의 집전은 셀의 하측에 집전체를 갖다 댐으로써 이루어 지나 집전 과정에서 손실이 유발되어 이는 결국 연료전지의 성능 하락으로 이어진다.
이에 따라, 본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀(100)은 상기 연료극(20)에 집전홀(27)이 형성되고 상기 집전홀(27)에 집전부재(28)가 삽입되어, 전지 내부로부터 직접적으로 집전하여 집전효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
아울러, 상기 연료극(20)의 외측 일면에는 상기 집전부재(28)와 연속되는 집전층(29)을 더 형성할 수 있으며, 상기 집전층(29)이 형성됨으로써 상기 집전부재(28) 및 집전층(29)을 따라 셀 외부로 전자가 용이하게 흐를수 있게 되어 집전능력을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
상기 집전층(29)은 스크린 프린팅, 스퍼터링, 금속용사법 등을 이용하여 형성가능하다.
도 6 (c)는 상기 중공부가 가스확산유로(23), 강도보강홀(25), 및 집전홀(27)을 형성하고, 상기 강도보강홀(25) 및 집전홀(27)에 각각 강도보강부재(26) 및 집전부재(28)가 삽입된 예를 나타내었다.
상기 도 6의 (c)는 상기 연료극(20)에 가스확산유로(23), 강도보강홀(25), 및 집전홀(27)이 형성되고, 상기 강도보강홀(25)에 강도보강부재(26)가 상기 집전홀(27)에 집전부재(28)가 형성된 예를 도시한 것으로서, 공간의 형성에 따라 강도가 취약해짐을 미연에 방지할 수 있고 연료가스의 확산 능력과 집전 능력을 높여 전지 효율을 더욱 향상할 수 있는 장점이 있다.
상기 강도보강부재(26)는 Ni와 같은 단일 금속이 이용될 수 있고 금속과 세 라믹이 혼합된 서멧(Cermet)이 이용될 수 있다. 구체적으로 상기 강도보강부재(26)은 Ni, Ce계 산화물, YSZ계 산화물 또는 Ni, Ce계 산화물, YSZ계 산화물의 혼합물 일 수 있으며, 이 때, 상기 세라믹은 연료극(20)을 형성하는 세라믹과 동일한 것을 사용하는 것이 바람직하며, NiO의 함량을 조절하여 요구되는 강도를 얻을 수 있다.
상기 집전부재(28)는 상기 강도보강부재(26)와 동일하게 Ni와 또는 연료극(20) 촉매금속과 같은 단일 금속이 이용될 수 있고 금속과 세라믹이 혼합된 서멧(Cermet)이 이용될 수 있으며, 상기 세라믹은 연료극(20)을 형성하는 세라믹과 동일한 것을 사용하여 열에 의한 변형이 적도록 하고 강도보강부재(26)와 연료극(20)의 반응이 일어나지 않도록 하는 것이 바람직하다.
상기 강도보강부재(26) 및 집전부재(28)는 상기 연료극(20)의 형성방법에 따라 다양하게 형성될 수 있으며, 상기 연료극(20)에 가스확산유로(23), 강도보강홀(25), 또는 집전홀(27)이 형성되고, 상기 강도보강홀(25), 또는 집전홀(27)에 대응되는 바(Bar)타입으로 제작된 강도보강부재(26) 또는 집전부재(28)가 삽입될 수 있다.
도 7a는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀을 형성하는 시트의 사진으로, 본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀(100)은 상기 연료극(20)이 상기 도 7a에 도시된 바와 같은 중공부가 형성된 하나 또는 복수개의 시트가 적층되어 형성될 수 있다.
또한, 도 7b는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀을 형성하는 시트의 다른 SEM 사진으로, 시트적층방법에 의해 연료극(20)이 형성되는 경우에 시트의 적 층 이전에 상기 도 7b에 도시된 바와 같이 각각의 중공부에 강도보강부재(26) 또는 집전부재(28)를 충전한 후, 적층 및 열처리 하여 제조할 수도 있다.
또한, 시트적층방법에 의해 연료극(20)이 형성되는 경우에는 각각의 시트에 홀을 형성하고, 시트의 적층 이전에 각각의 홀에 강도보강부재(26) 또는 집전부재(28)를 충전한 후, 적층 및 열처리할 수도 있다.
아울러, 상기 홀이 가스확산유로로 이용되는 경우에는 상기 충전 공정이 제외될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀(100)의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이고, 도 9는 상기 도 8에 도시한 고체산화물 연료전지용 셀의 사시도로, 상기 가스확산유로(23)는 서로 연결되어 연속적인 채널 형태의 유로를 형성할 수 있다.
상기 가스확산유로(23)가 연속적인 유로를 형성할 경우에도 상술한 바와 같이, 강도보강부재(26) 및 집전부재(28)를 더 형성할 수 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 연료극을 나타낸 사진으로, 상기 도 10은 상기 연료극(20)에 중공부가 형성되어 소결 이전의 상태를 나타낸 사진이며, 상기 도 11은 상기 도 10에 도시된 바와 같은 중공부 형성된 연료극(20)을 소결한 후의 사진이다.
본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀(100)의 중공부는 셀(100)의 크기, 강도 및 다양한 조건에 따라 나선형, 사선형, 직교형, 또는 그물망형을 포함하여 그 외에도 다양하게 형성될 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
도 1은 고체산화물 연료전지의 작동원리를 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 사시도.
도 3은 상기 도 2에 도시한 본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀의 AA'방향 단면도.
도 4는 상기 도 2에 도시한 본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀의 BB'방향 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 실시예를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 7a는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀을 형성하는 시트의 사진.
도 7b는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀을 형성하는 시트의 다른 SEM 사진.
도 8은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 또 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 9는 상기 도 8에 도시한 고체산화물 연료전지용 셀의 사시도.
도 10은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 연료극을 나타낸 사진.(소결 전)
도 11은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 연료극을 나타낸 다른 사진.(소결 후)
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
100 : 본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀
10 : 전해질층
20 : 연료극 21 : 제1층
22 : 제2층 23 : 가스확산유로
24 : 확장부 25 : 강도보강홀
26 : 강도보강부재 27 : 집전홀
28 : 집전부재 29 : 집전층
30 : 공기극

Claims (9)

  1. 전해질층(10); 상기 전해질층(10)의 양측 면에 각각 접촉형성되는 연료극(20), 및 공기극(30)으로 이루어지는 고체산화물 연료전지용 셀(100)에 있어서,
    상기 연료극(20)은 상기 전해질층(10)과 전체 면에서 맞닿으며 일정 두께를 갖도록 형성되는 제1층(21) 및 일정 두께를 갖도록 형성되고 중공부가 형성되는 제2층(22)으로 형성되되,
    상기 중공부의 일부는 연료가스가 이동되는 가스확산유로(23)를 형성하고, 또 다른 일부는 집전홀(27)을 형성하며, 상기 집전홀(27)에 집전부재(28)가 삽입되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공부는 강도보강홀(25)을 형성하며, 상기 강도보강홀(25)에 강도보강부재(26)가 삽입되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료극(20)은 외측 일면에 상기 집전부재(28)와 연속되는 집전층(29)이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료극(20)은 상기 가스확산유로(23)의 일정 영역이 확장형성되는 확장부(24)가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공부는 상기 연료극(20)의 세로방향으로 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공부는 상기 연료극(20)의 가로방향으로 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 중공부는 서로 연결되어 연속적인 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀.
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