KR100964294B1 - 평면 밴드 구조의 고체 산화물 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 채널 및 임베딩 구역을 가지는 제1 분리판(12); 상기 제1 분리판(12)의 임베딩 구역에 삽입되는 복수의 제1 전극(33); 상기 복수의 제1 전극(33) 위에 위치하며, 상기 제1 분리판(12)의 임베딩 구역에 삽입되는 복수의 전해질(32); 상기 복수의 전해질(32) 위에 위치하는 복수의 제2 전극(31); 상기 복수의 제2 전극(31)을 덮는 제2 분리판(10); 상기 제1 및 제2 분리판(12, 10) 사이에 위치하며, 상호 접촉하는 제1 및 제2 직렬 접속 단자(71, 70); 상기 제1 및 제2 분리판(12, 10) 사이에 위치하며, 제1 및 제2 분리판(12, 10)과 접촉하는 밀봉재(20); 및 상기 제1 및 제2 분리판(12, 10)이 각각 삽입되어 밀봉재(20)를 압착하는 제1 및 제2 하우징(13, 11)을 포함하는, 평면밴드 구조 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다.
고체 산화물 연료전지(SOFCs), 평면 밴드형 시스템, 압축형 밀봉재, 격자 배열 기술

Description

평면 밴드 구조의 고체 산화물 연료전지{SOLID OXIDE FUEL CELLS WITH A PLANAR BANDED ARRAY OF UNIT CELLS}
본 발명은 평면 밴드 구조의 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 압축형 밀봉재를 포함하고 단위 전지들을 평면에 격자 배치하여 특정한 요구 출력 특성을 구현한 평면 밴드 구조의 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다.
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, 친환경적이며, 미래의 전력원으로 현재 많은 연구가 진행되고 있다.
연료전지는 사용 전해질과 연료에 따라 인산형 연료전지(phosphoric acid fuel cells; PAFCs), 고분자 전해질 멤브레인 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cells; PEMFCs), 용융 탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cells; MCFCs), 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cells; DMFCs), 고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cells; SOFCs) 등으로 나눌 수 있다. 각 연료전지들은 서로 다른 작동 온도와 이에 따른 구성 요소를 가지는 데, PEMFCs는 80℃ 부근, PAFCs는 200℃ 부근, MCFCs는 650℃ 부근, 그리고 SOFCs는 800℃ 부근의 작동 범위를 갖는다.
이 중에서 구성 물질이 모두 세라믹, 금속과 같은 고체상으로 이루어진 SOFCs는 가장 높은 에너지 효율, 연료 선택의 다양성 및 폐열의 재활용과 같은 많은 장점들을 가지고 있다.
SOFCs를 비롯한 연료전지의 개발은 그 발전 규모에 따라 적절한 단위 전지의 개발과, 단위 전지와 밀봉재와 분리판을 포함하는 스택화 기술과, 각종 연료 공급 장치 및 전력 이용 장치를 제어하는 부수 장치 기술을 수반한다. 이 중에서 SOFCs 발전 시스템의 심장이라 할 수 있는 단위 전지 개발 및 스택화 기술은 고도의 세라믹 공정 기술과 통합 시스템 기술을 바탕으로 진행된다.
연료전지가 가지는 저전압, 고전류의 원천 특성을 감안한다면, 실제 부하 장치에 대한 전력 공급원이나 발전 시스템으로 연료전지를 이용하기 위해서는 이러한 스택화 및 시스템 디자인 기술이 핵심 요소인 것은 분명하다. 특히 고전압, 저전류 특성을 중요하게 생각하는 휴대용 에너지원 시장에서는 특히 연료전지가 가지는 저전압 특성에 큰 문제점을 가지고 있다. 열역학적으로 1V 내외의 전압을 가지는 연료전지를 각종 휴대용 전자 기기(예를 들면, 휴대 전화는 대개 3.6V 전원을 사용함)에 적용하기 위해서 기존에는 단위 전지의 적층 즉, 스택 구조를 사용할 수밖에 없었다. 이는 가스 채널, 단위 전지, 분리판의 적층으로 인해 부피 증가 및 시스 템 설계의 다양성 측면에서 제한적 요소로 작용하여, 휴대용 전자 기기를 위한 전체 스택의 소형화에 큰 걸림돌이 되고 있다.
연료전지 전반에 걸쳐서도 이와 같은 고전압, 고출력 연료전지 시스템의 구성상의 어려움과 시스템 디자인에 대한 새로운 가능성을 제시하는 여러 방안 중의 하나로 제안되고 있는 것이 평면 밴드 구조의 다중 단위 전지 집적이다. 여기서, 평면 밴드 구조의 다중 단위 전지 집적이라 함은 단위 전지들을 평면 배열상에 동일한 방향으로 배열하고. 부수적인 밴드형 집전체를 사용하여 평면 배열된 단위 전지를 직렬 구조로 형성하여 고전압 연료전지 시스템으로 구성하는 것을 의미한다.
기존의 평면 단위 전지 배열 구조는 분리판과 연료극 방면 다중 단위 전지 프레임 위에 단위 전지들을 장착하고 고정형 밀봉재와 공기극 방면 멀티 셀 프레임을 순차적으로 조립하여 구성하는 병렬 집적 방식이 대부분이었다. 또한 밴드 구조의 직렬 집적도 밀봉 및 전기적 접속이 용이한 저온형 연료전지들(예를 들면, PEMFCs 및 DMFCs)에서 주로 다루었다. 단위 전지들을 밴드 구조로 배열하고 전기적 직렬 접속을 구현함에 있어 별도의 부가 장치를 사용하기도 하고, 시스템 외부에서 전기적 연결을 구현하여 제조 공정이 복잡해지는 문제가 있고, 더욱이 고온형 연료전지인 SOFCs 분야에서는 위와 같은 밴드 구조 기술의 선택성과 적용 생존성이 더욱 난해하여 적절한 해결책이 제시되고 있지 못한 실정이다.
본 발명의 목적은 압축형 밀봉재의 구속 조건과 다수 단위 전지들의 평면 격자 배열을 통하여 바람직한 고전압, 고출력 고체 산화물 연료전지(SOFCs)를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 구조적 형태의 다양한 응용을 통해서 기존의 SOFCs 스택에서 나타나는 시스템 소형화에 대한 한계성과 시스템 설계의 제한성을 해결하는 평면 밴드 구조의 시스템 디자인을 제공하여 휴대용 전력 공급원에 적용 가능한 연료전지를 제공하는 것이다.
상기 목적에 따라, 본 발명에서는 가스 채널 및 임베딩 구역을 가지는 제1 분리판(12); 상기 제1 분리판(12)의 임베딩 구역에 삽입되는 복수의 제1 전극(33); 상기 복수의 제1 전극(33) 위에 위치하며, 상기 제1 분리판(12)의 임베딩 구역에 삽입되는 복수의 전해질(32); 상기 복수의 전해질(32) 위에 위치하는 복수의 제2 전극(31); 상기 복수의 제2 전극(31)을 덮는 제2 분리판(10); 상기 제1 및 제2 분리판(12, 10) 사이에 위치하며, 상호 접촉하는 제1 및 제2 직렬 접속 단자(71, 70); 상기 제1 및 제2 분리판(12, 10) 사이에 위치하며, 제1 및 제2 분리판(12, 10)과 접촉하는 밀봉재(20); 및 상기 제1 및 제2 분리판(12, 10)이 각각 삽입되어 밀봉재(20)를 압착하는 제1 및 제2 하우징(13, 11)을 포함하는, 평면밴드 구조 고체 산화물 연료전지를 제공한다.
또한, 본 발명에서는 가스 채널 및 임베딩 구역을 가지는 일체형 분리판(15); 상기 일체형 분리판(15)의 임베딩 구역에 삽입되는 복수의 제1 전극(33); 상기 복수의 제1 전극(33) 위에 위치하는 복수의 전해질(32); 상기 복수의 전해질(32) 위에 위치하는 복수의 제2 전극(31); 상기 일체형 분리판(15)과 접촉하는 밀봉재(20); 및 상기 일체형 분리판(15)이 삽입되어 밀봉재(20)를 압착하는 제1 및 제2 하우징(13, 11) 을 포함하는, 평면밴드 구조 고체 산화물 연료전지를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 제1 분리판(12)의 임베딩 구역이 격자로 형성되어, 상기 복수의 제1 전극(33)이 격자로 배열되는 것이 바람직하고, 상기 일체형 분리판(15)의 임베딩 구역이 격자로 형성되어, 상기 복수의 제1 전극(33)이 격자로 배열되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 제1 및 제2 직렬 접속 단자(71, 70)가 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag)으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 금속, 세라믹 소재 또는 이들의 혼합물로 코팅된 코팅부를 가지는 것이 바람직하고, 상기 제1 및 제2 직렬 접속 단자(71, 70)가 망(mesh), 다공체(foam), 와이어(wire), 울(wool)로 이루어진 군으로부터 선택되는 형태로 독립 또는 복합 적층하여 형성된 변형부를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 밀봉재(20)가 상기 복수의 제2 전극(31)과 동일한 크기와 모양을 가지는 복수의 전극 창(21)을 포함하는 것이 바람직하고, 상기 밀봉재(20)가 유리 기지 상 및 보강재를 더 포함하는 것이 더욱 바 람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 유리 기지 상이 B2O3-SiO2, Al2O3-B2O3-SiO2, 및 CaO-B2O3-SiO2로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되고, 상기 보강재가 밀봉재의 총 중량을 기준으로 5 내지 50중량%인 것이 바람직하다.
삭제
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 제1 하우징(13) 및 제2 하우징(11)의 압착으로 상기 밀봉재(20)의 압축 체결압은 0.001 내지 100 (kgf/cm2)이며 보다 바람직하게는 10 kgf/cm2 미만이며, 가장 바람직하게는 0.01 내지 10 kgf/cm2이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 제1 분리판(12)과 제1 하우징(13) 및 상기 제2 분리판(10)과 제2 하우징(11)이 일체로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 상기 제1 분리판(12)과 제1 전극(33) 사이에 위치하는 제1 집전체, 및 제2 분리판(10)과 제2 전극(31) 사이에 위치하는 제2 집전체를 더 포함하는 평면밴드 구조 고체 산화물 연료전지를 제공한다.
또한, 본 발명에서는 상기 일체형 분리판(15)과 제1 전극(33) 사이에 위치하는 제1 집전체, 및 일체형 분리판(15)과 제2 전극(31) 사이에 위치하는 제2 집전체를 더 포함하는 평면밴드 구조 고체 산화물 연료전지를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 제1 및 제2 집전체가 니켈, 백금, 금, 은으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 평면밴드 구조 고체 산화물 연료전지가 바람직하다.
본 발명에 의하면, 압축형 밀봉재의 구속 조건과 다수 단위 전지들의 평면 배열밴드 구조를 통하여 바람직한 고전압 고체 산화물 연료전지를 얻을 수 있다. 본 발명에서 사용되는 압축형 밀봉재 응용 기술은, 기존에 제안되었던 SOFCs용 밀봉재와는 달리 최소한의 밀봉 면적과 압축 체결압만으로 우수한 밀봉 특성을 구현한다. 따라서 밴드 구조의 단위 전지 집적에서도 안정적인 단위 전지의 배치 및 고정을 이루어 직렬 구조의 안정성이나 경제성 측면에서도 탁월한 기여를 한다.
또한, 본 발명은 동일 평면상에 다수의 단위 전지들을 밴드구조 직렬 배치와 평면 배열형 병렬 배치를 조합하여 고전압, 고전류의 연료전지 시스템을 구현함으로써, 다양한 출력 특성을 요구하는 부하 장치에 대응할 수 있는 시스템 특성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 본 발명은 구조적 형태의 다양한 응용을 통해서 기 존의 고체 산화물 연료전지 수직형 스택에서 나타나는 시스템 소형화에 대한 한계성과 시스템 설계의 제한성을 해결하는 평면 밴드 구조의 시스템 디자인을 제공하여 휴대용 전력 공급원에 적용 가능한 연료전지 시스템 제작에 기여 할 수 있다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 평면 밴드 구조의 SOFCs에 관한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.
본 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 평면 밴드 구조의 고체 산화물 연료전지 시스템(SOFCs)의 결합 과정을 나타내는 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 SOFCs에서 제2 분리판(10), 도 3은 도 1의 SOFCs에서 제1 분리판(12), 도 4는 도 1의 SOFCs에서 압축형 밀봉재(20), 도 5는 도 1의 SOFCs에서 제1 하우징(13), 도 6은 도 1의 SOFCs에서 제2 하우징(11)을 각각 확대한 확대도이고, 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제1 및 제2 직렬 접속 단자(70, 71)를 제1 분리판과 제2 분리판 사이에 위치시켜 평면 밴드 구조의 고체 산화물 연료전지를 구성한 단면도이고, 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따라 일체형 분리판(15)을 사용하여 평면 밴드 구조의 고체 산화물 연료전지를 구성한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 평면 밴드 구조 SOFCs는, 임베딩 구역과 가스 채널(channel)을 가진 제1 분리판(12), 제1 분리판의 임베딩 구역에 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 사이를 전기적으로 접속하는 직렬 접속 단자(70 및 71)와, 제1 및 제2 분리판 사이에서 이 둘을 밀봉하는 압축형 밀봉재(20)와, 제1 및 제2 분리판이 각각 삽입되어 밀봉재에 구속력을 주는 제1 하우징(13)및 제2 하우징(11)을 모두 포함한다.
본 발명의 평면 밴드구조의 SOFCs는 임베딩 타입의 기밀 시스템을 통해 달성된다. 임베딩 타입의 기밀 시스템은 단위 전지들이 제1 분리판(12) 내에 삽입되어 장착되고, 그 위에 압축형 밀봉재(20)가 전해질(32)의 상면, 제1 하우징(13)과 제1 분리판(12)을 모두 덮는 형태로 조립된다. 제2 분리판(10)이 제2 전극(31)의 상부를 각각 덮는 형태로 조립되고, 제2 하우징(11)에 의해 모든 구성 요소가 고정되는 형태로 체결을 완료하게 된다. 따라서, 본 발명의 밀봉재는 하기에 구체적으로 설명되는 유효 밀봉 영역의 적절한 체결 압력에 의해 기밀이 유지되는 방식을 가지고 있다.
도 1 및 도 3를 참조하면, 제1 분리판(12)에 형성된 임베딩 구역에, 제1 전극 내지 단위 전지(1개의 단위 전지는 제1 전극 1개, 전해질 1개 및 제2 전극 1개로 구성됨)가 동일한 크기를 가지고 동일 평면상에 배치되어 있다. 제1 및 제2 분리판은 적정한 숫자와 크기의 가스 채널을 포함하여 가스 흐름의 방해 없이 각 전극에 기체가 잘 공급될 수 있게 한다. 또한, 동일 평면상에 배열된 분리판들을 고 정하고 전기적으로 하우징과 절연하기 위해서 하우징과 분리판들의 사이에는 적절한 형태의 절연체를 삽입하여 전체 시스템의 직렬 구조를 형성할 수 있다. 이 절연체는 각 분리판의 측면부(하우징과 분리판의 사이), 분리판들 사이, 각 분리판의 하단부(하우징과 분리판의 사이)에 모두 적용하여 분리판의 고정 및 각 분리판의 절연을 담당한다.
또한, 본 발명의 평면 밴드형 직렬 시스템은 분리된 제 1 분리판(12)과 제2 분리판을 각 분리판의 직렬 접속 단자(70 및 71)가 서로 접촉하여 달성된다. 압축형 밀봉재의 수직 변형량에 대응하는 분리판들의 충분한 수직 변위를 확보하기 위해 두 분리판을 분리하였고, 전기적인 접속과 손실을 고려하여 직렬 접속 단자를 변형부 및 산화막 방지층의 코팅부를 도입하여 구성하였다. 도 7과 도 3에 나타낸 것처럼 각각의 직렬 접속 단자의 코팅부를 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 같은 귀금속 재료 또는 전도성이 뛰어난 세라믹 소재를 코팅하여 구현하고, 그 사이를 변형력이 있는 망(mesh), 다공체(foam), 와이어(wire), 울(wool)과 같은 구조를 독립 혹은 복합 적층하여 형성하는 변형부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 직렬 접속 단자의 코팅은 산화분위기로 인해 분리판에 형성되는 절연성 피막과 그에 따른 출력값의 손실을 막는 목적을 가지고 있다. 양쪽 접속 단자와 접촉하여 두 분리판을 이어주는 변형부는 시스템 체결압에 따라 생기는 밀봉재의 변형에 맞추어 두 분리판의 수직 방향 변위를 만들어 주는 파트로서 충분한 역할을 한다.
SOFCs의 작동을 위해 공급되는 연료(제1 가스) 및 산화 가스(제2 가스)는 도 1에서 제시된 바와 같이 제1 가스 입구(61), 제2 가스 입구(51)를 통해서 각 단위 전지로 공급된다. 전기 화학 반응 후, 남은 반응 가스(reactants)와 생성 가스(products) 는 제1 가스 출구(62), 제2 가스 출구(52)를 통해 외부로 배출되는 구조를 가지고 있다. 본 도면에서는 대향류(counter flow) 형태로 가스 공급이 이루어지는 시스템을 가정하여 나타내고 있지만, 본 특허는 가스 공급 방식이 따른 구애를 받지 않으므로 평행류(co-flow)에도 적용할 수 있다.
도 1 및 도 4을 참조하면, 압축형 밀봉재(20)에는 복수의 제2 전극(31)과 각각 대응하는 전극 창(window)(21)이 동수(同數)로 패턴 형성되어 있으며, 시스템의 구성에 맞는 숫자의 직렬 접속 단자 창(22)이 그 크기와 모양에 맞게 형성되어 있다. 이와 같은 형태로의 가공은 단위 전지에 공급되는 연료(제1 가스) 및 산화 가스(제2 가스)가 서로 섞이지 않게 입구와 출구 주위를 그리고 단위 전지와 분리판 주위를 실링하기 위해 적절한 밀봉재의 폭과 넓이(유효 밀봉 면적)가 요구되기 때문이다.
이러한 압축형 밀봉재(20)를, 본 발명의 평면 밴드 구조 SOFCs 내에 평면 배열된 단위 전지들을 고정하는 측면에서 살펴보기로 한다. 본 발명에서 압축형 밀봉재(20)는 유효 밀봉 영역, 즉 외곽의 테두리부와, 전극 창(21)을 형성하는 구획부를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 테두리부는 동일 평면상 외곽에 배열된 전해질 상면의 바깥쪽 가장자리와 제1 분리판 상면과 제1 하우징 상면에 동시에 접촉하여, 외곽에 배열된 전해질을 제1 분리판 및 제1 하우징에 고정시켜 준다. 또한, 상기 구획부는 이웃하는 두 전해질 상면의 각 가장자리에 동시에 접촉하여, 이웃하는 두 전해질을 고정시켜 준다.
결국, 본 발명은 평면 배열된 단위 전지들을 고정함에 있어 별도의 부가 장치를 사용하지 않고, 제1 분리판에 단위 전지들을 임베딩하여 장착하고 상기한 구조의 압축형 밀봉재를 개재한 채 소정의 체결 압력을 가하는 간단한 방법으로 단위 전지들을 평면 배열하고 고정시키며, 밴드 구조의 SOFCs에서도 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, 및 CaO-B2O3-SiO2로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 유리 조성을 갖는 기지 상에, 5 내지 60 부피% 함량의 판상 보강재(두께 0.2 내지 1㎛, 직경 대 두께의 비인 종횡비 5 내지 50)를 수평으로 배향하여 위치시켜 밀봉재의 양 표면층을 구성하면, 높은 기계적 압력 하에서도 계면 강도를 낮게 유지하여 열 사이클 안정성이 향상될 수 있다.
상기 제1 하우징(13) 및 제2 하우징(11)의 압착으로 상기 밀봉재(20)의 압축 체결압이 바람직하게는 0.001 내지 100 kgf/cm2이고, 더욱 바람직하게는 10 kgf/cm2 미만이고, 가장 바람직하게는 0.01 내지 10 kgf/cm2이다.
도시하진 않았지만, 제1 분리판(12)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), 백금, 금, 은 등의 재료로 이루어질 수 있다.
한편, 도 8는 본 발명의 제2 실시예에 따른 평면 밴드 구조 SOFCs의 단면도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 평면 밴드 구조의 SOFCs는 임베딩 구역과 가스 채널을 포함하는 일체형 분리판(15), 일체형 분리판의 임베딩 구역에 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, 일체형 분리판 사이에서 이 둘을 밀봉하는 압축형 밀봉재(20)와, 일체형 분리판이 각각 삽입되어 밀봉재에 구속력을 주는 제1 하우징(13)및 제2 하우징(11)을 모두 포함한다.
본 실시예에 따른 SOFCs 또한 전술한 제1 실시예와 마찬가지로 임베딩 타입의 기밀 시스템을 취하고, 전술한 구조의 압축형 밀봉재를 사용함으로써 본 발명의 효과를 달성할 수 있다. 즉, 일체형 분리판(15)에 단위 전지들을 임베딩하여 장착하고 도 4에 나타낸 압축형 밀봉재(20)를 개재한 채 0.001 내지 100 kgf/cm2의 체결 압력을 가하는 간단한 방법으로 소형 단위 전지들을 평면 배열하고 고정시키며 SOFCs의 기밀을 유지할 수 있게 된다.
전술한 제1 실시예에서 설명된 내용은 본 실시예에 동일하게 적용될 수 있으므로, 압축형 밀봉재(20) 등에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
다만, 본 실시예에서는 전술한 제1 실시예에서와 같이 동일 평면상에 배열된 단위 전지들을 전기적으로 직렬 접속 하기 위해 별도의 접속 단자를 사용하지 않고, 일체화된 밴드 구조의 분리판의 하우징에 삽입 고정한 후, 압축형 밀봉재의 구속 조건과 압축 체결 압력에 의해 평면 밴드구조 SOFCs를 구성하였다. 즉, 본 실시예에서는 일체형 분리판이 수직 압축력에 대응하는 적당한 변형 요소를 포함 하는 구조인 것을 특징으로 한다. 이와 관련하여 일체형 분리판은 동종 재료 혹은 이종 재료로 구성되는 변형 부위를 가지고 있고 이 곳에서 체결압에 의해 유발되는 밀봉재의 수직 변위에 대응하게 된다. 이러한 일체형 분리판(15)의 변형 부위는 동종 재료 혹은 이종 재료를 통해 스프링(spring) 구조 혹은 박형(薄形) 구조를 포함할 수도 있고, 이러한 변형 부위를 블레이징(blazing), 접합(bonding), 용접(welding)과 같은 접합 공정을 통하여 형성할 수도 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.
실시예 1
단위 전지는 8mol% 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. 단위 전지들을 고정하고 밴드 구조 직렬 연결을 구현하기 위해 2개의 제1 분리판(연료극 방면 분리판)을 제1 하우징에 장착하였다(도 1 참조).
제1 분리판 내에 단위 전지들을 장착한 후, 상응하는 전극 창과 직렬 전속 단자용 창을 갖춘 압축형 밀봉재를 그 위에 올려 놓는다. 그 후, 밴드 구조 직렬 연결을 위해 사용되는 또 다른 분리판인 제2 분리판을 압축형 밀봉재 위에 장착 하였다(도 1 참조). 마지막으로 제2 분리판쪽 실링을 위한 제2 하우징을 덮는 방식으로 장착하였다.
이와 같이 제1 하우징, 제1 분리판, 단위 전지, 압축형 밀봉재의 다층 구조 위에 제2 분리판(공기극 방면 분리판), 제2 하우징을 얹어서 0.001 내지 100 kgf/cm2의 압력으로 체결하면 밴드구조로 직렬 연결된 고체 산화물 연료전지를 얻을 수 있다. 제1 분리판과 제2 분리판의 전기적 직렬 접속은 양 분리판 접속 부위의 백금 도금(plating)과 백금 망(mesh) 적층을 통해 구현해 낸다(도7 참조).
따라서, 본 발명에 의하면 여러 단위 전지들을 평면 밴드구조의 직렬 배열을 통해 고전압, 고전류의 연료전지 시스템를 형성할 수 있고, 이것은 바람직한 단위 전지 수직 적층 구조에 상응하는 고전압, 고전류의 출력 특성을 초박형 구조의 디자인에서도 가능하게 한다.
실시예 2
단위 전지는 8mol% Y2O3-ZrO2(YSZ)를 전해질로 사용하였고, NiO-YSZ 복합재료를 제1 전극(연료극)으로, La0.8Sr0.2MnO3(LSM)와 YSZ의 복합 재료를 제2 전극(공기극)으로 사용하였다. 단위 전지들을 고정하고 밴드 구조 직렬 연결을 구현하기 위해 2개의 일체형 분리판을 제1 하우징에 장착하였다(도8 참조).
일체형 분리판 내에 단위 전지들을 장착한 후, 상응하는 전극 창과 직렬 전속 단자용 창을 갖춘 압축형 밀봉재를 조립한다. 마지막으로 제2 전극쪽 실링을 위한 제2 하우징을 전체 조립체를 덮는 방식으로 장착하였다.
이와 같이 제1 하우징, 단위 전지, 일체형 분리판, 압축형 밀봉재의 다층 구조 위에 제2 하우징을 얹어서 0.001 내지 100 kgf/cm2의 압력으로 체결하면 밴드구조로 직렬 연결된 고체 산화물 연료전지를 얻을 수 있다. 이전과 달리 제1 분리판과 제2 분리판이 결합된 형태인 일체형 분리판의 추가적인 전기적 직렬 접속 재료나 기구가 없다. 다만 밀봉재를 위한 압축력에 대응하기 위해 일체형 분리판은 부분적인 변형구조 혹은 변형재료 또는 블레이징 혹은 용접으로 구현된 변형 구조가 제1 분리판 파트와 제2 분리판 파트를 연결하는 형태로 구성하는 것이 필요하다(도8 참조).
따라서, 본 발명에 의하면 여러 단위 전지들을 평면 밴드구조의 직렬 배열을 통해 고전압, 고전류의 연료전지 시스템를 형성할 수 있고, 이것은 이상적인 단위 전지 수직 적층 구조에 상응하는 고전압, 고전류의 출력 특성을 초박형 구조의 디자인에서도 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 평면 밴드 구조의 고체 산화물 연료전지 시스템의 결합 과정을 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에서 제2 분리판(10)을 확대한 확대도이다.
도 3은 도 1에서 제1 분리판(12)을 확대한 확대도이다.
도 4는 도 1에서 압축형 밀봉재(20)를 확대한 확대도이다.
도 5는 도 1에서 하나의 제1 분리판이 임베딩(embedding)된 제1 하우징(13)을 확대한 확대도이다.
도 6은 도 1에서 하나의 제2 분리판이 임베딩된 제2 하우징(11)을 확대한 확대도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제1 및 제2 직렬 접속 단자(70, 71)를 제1 분리판과 제2 분리판 사이에 위치시켜 평면 밴드 구조의 고체 산화물 연료전지를 구성한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따라 일체형 분리판(15)을 사용하여 평면 밴드 구조의 고체 산화물 연료전지를 구성한 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 제2 분리판 11: 제2 하우징
12: 제1 분리판 13: 제1 하우징
15: 일체형 분리판 20: 밀봉재
21: 전극 창 22: 직렬 접속 단자 창
30: 단위 전지 31: 제2 전극
32: 전해질 33: 제1 전극
51: 제2 가스 입구 52: 제2 가스 출구
61: 제1 가스 입구 62: 제1 가스 출구
70: 제2 직렬 접속 단자 71: 제1 직렬 접속 단자

Claims (16)

  1. 가스 채널 및 임베딩 구역을 가지는 제1 분리판(12);
    상기 제1 분리판(12)의 임베딩 구역에 삽입되는 복수의 제1 전극(33);
    상기 복수의 제1 전극(33) 위에 위치하며, 상기 제1 분리판(12)의 임베딩 구역에 삽입되는 복수의 전해질(32);
    상기 복수의 전해질(32) 위에 위치하는 복수의 제2 전극(31);
    상기 복수의 제2 전극(31)을 덮는 제2 분리판(10);
    상기 제1 및 제2 분리판(12, 10) 사이에 위치하며, 상호 접촉하는 제1 및 제2 직렬 접속 단자(71, 70);
    상기 제1 및 제2 분리판(12, 10) 사이에 위치하며, 제1 및 제2 분리판(12, 10)과 접촉하는 밀봉재(20); 및
    상기 제1 및 제2 분리판(12, 10)이 각각 삽입되어 밀봉재(20)를 압착하는 제1 및 제2 하우징(13, 11)
    을 포함하는, 평면밴드 구조 고체 산화물 연료전지.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 분리판(12)의 임베딩 구역이 격자로 형성되어, 상기 복수의 제1 전극(33)이 격자로 배열되는 것을 특징으로 하는 평면밴드 구조 고체 산화물 연료전지.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 직렬 접속 단자(71, 70)가 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag)으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 금속, 세라믹 소재 또는 이들의 혼합물로 코팅된 코팅부를 가지는 것을 특징으로 하는 평면밴드 구조 고체 산화물 연료전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 직렬 접속 단자(71, 70)가 망(mesh), 다공체(foam), 와이어(wire), 울(wool)로 이루어진 군으로부터 선택되는 형태로 독립 또는 복합 적층하여 형성된 변형부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평면밴드 구조 고체 산화물 연료전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉재(20)가 상기 복수의 제2 전극(31)과 동일한 크기와 모양을 가지는 복수의 전극 창(21)을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면밴드 구조 고체 산화물 연료전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉재(20)가 유리 기지 상 및 보강재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평면밴드 구조 고체 산화물 연료 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유리 기지 상이 B2O3-SiO2, Al2O3-B2O3-SiO2, 및 CaO-B2O3-SiO2로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 평면밴드 구조 고체 산화물 연료 전지.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 보강재가 밀봉재의 총 중량을 기준으로 5 내지 50중량%인 것을 특징으로 하는 평면밴드 구조 고체 산화물 연료전지.
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 하우징(13) 및 제2 하우징(11)의 압착으로 상기 밀봉재(20)의 압축 체결압이 0.001 내지 100 kgf/cm2인 것을 특징으로 하는 평면밴드 구조 고체 산화물 연료전지.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 분리판(12)과 제1 하우징(13) 및 상기 제2 분리판(10)과 제2 하우징(11)이 일체로 형성되는 평면밴드 구조 고체 산화물 연료전지.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 분리판(12)과 제1 전극(33) 사이에 위치하는 제1 집전체, 및 제2 분리판(10)과 제2 전극(31) 사이에 위치하는 제2 집전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평면밴드 구조 고체 산화물 연료전지.
  15. 삭제
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 집전체가 니켈, 백금, 금, 은으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 평면밴드 구조 고체 산화물 연료전지.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6541146B1 (en) 2000-11-07 2003-04-01 Hybrid Power Generation Systems, Llc Composite sealant materials based on reacting fillers for solid oxide fuel cells
KR20040074111A (ko) * 2002-02-14 2004-08-21 히다치 막셀 가부시키가이샤 액체 연료전지
KR100737828B1 (ko) * 2006-08-28 2007-07-12 한국과학기술연구원 밀봉재의 수평 방향으로의 변형을 억제하는 장벽 구조를갖는 평판형 고체전해질 연료전지 스택
KR100808028B1 (ko) * 2007-03-16 2008-02-28 한국과학기술연구원 단전지들이 평면 배열된 등가의 대면적 연료전지 및 이에사용되는 압축형 밀봉재

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6541146B1 (en) 2000-11-07 2003-04-01 Hybrid Power Generation Systems, Llc Composite sealant materials based on reacting fillers for solid oxide fuel cells
KR20040074111A (ko) * 2002-02-14 2004-08-21 히다치 막셀 가부시키가이샤 액체 연료전지
KR100737828B1 (ko) * 2006-08-28 2007-07-12 한국과학기술연구원 밀봉재의 수평 방향으로의 변형을 억제하는 장벽 구조를갖는 평판형 고체전해질 연료전지 스택
KR100808028B1 (ko) * 2007-03-16 2008-02-28 한국과학기술연구원 단전지들이 평면 배열된 등가의 대면적 연료전지 및 이에사용되는 압축형 밀봉재

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