KR101113386B1 - 연료극 지지형 고체 산화물 연료전지용 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료극 지지형 고체 산화물 연료전지용 셀에 관한 것으로서, 본 발명의 고체 산화물 연료전지용 셀은 원통형의 연료극을 지지체로 하고, 그 외주면에 전해질과 공기극이 순차적층된 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지용 셀은 상기 연료극의 내측에 중공부를 가지고, 상기 중공부에는 셀 내부 집전을 위한 복수개의 구형상을 갖는 도전체가 상기 중공부의 내부를 채우도록 삽입된다. 이에 따라, 본 발명의 연료극 지지형 고체 산화물 연료전지용 셀은 수소가스 이송과 집전을 위해 셀 내부에 형성되는 금속관을 도전체로 대체함에 따라 저항을 감소시켜 집전효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
고체 산화물 연료전지용 셀, 도전체, 집전효율, 중공부, 금속층

Description

연료극 지지형 고체 산화물 연료전지용 셀{Anode Supported Solid Oxide Fuel Cell}
본 발명은 고체 산화물 연료전지용 셀에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소가스 이송과 집전을 위해 셀 내부에 형성되는 금속관을 도전체로 대체함에 따라 저항을 감소시켜 집전효율을 향상시킬 수 있는 연료극 지지형 고체 산화물 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 있고, 배출되는 물질이 물뿐이므로 공해의 우려가 없으며, 종래 열기관과는 달리 기계적으로 운동하는 부분이 불필요하기 때문에 소형화가 가능하고 소음이 없는 등 다양한 장점을 가지고 있다.
통상적인 연료전지의 애노드 전극 및 캐소드 전극에서의 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 하기의 반응식 1과 같다.
애노드 전극: 2H2 → 4H+ + 4e-
캐소드 전극: O2 + 4e- + 4H+ → 2H2O
애노드 전극에는 수소가 공급되며, 수소는 수소이온 및 전자로 분해된다. 수소 이온은 전해질 막을 통해 캐소드 전극으로 이동하며, 전자는 외부 전선을 통해 캐소드 전극으로 이동하여 전력을 발생한다. 캐소드 전극에는 공기에 포함된 산소가 공급되며, 애노드 전극에서 이동되어 온 상기 전자와 수소 이온 그리고 산소가 캐소드 전극에서 반응하여 물을 생성한다.
연료전지는 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) 등으로 분류될 수 있다.
상술한 각각의 연료전지들은 그 출력범위 및 사용용도 등이 다양하여 목적에 따라 알맞은 연료전지를 선택할 수 있으며, 이 중에서도 고체 산화물 연료전지는 작동온도가 높으나, 약 45%의 높은 효율 및 전류밀도를 얻을 수 있어 대규모 발전에 이용가능하다는 장점이 있다.
상기한 바와 같은 특징을 가지는 고체 산화물 연료전지는 형태에 따라 평판형과 원통형으로 분류될 수 있으며, 도 1은 연료극을 지지체로 하는 원통형 고체 산화물 연료전지용 셀(10)을 나타낸다. 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀은 연료극(11)을 지지체로 하고, 그 외주면에 전해질(12)과 공기극(13)이 순차적층되어 있고, 상기 연료극(11) 지지체의 일 측에는 실링 캡(Sealing Cap, 14)이 형성되며, 상기 연료극(11)에 수소를 공급하거나 집전을 위하여 셀 내부에는 집전부재로서 예컨대 SUS로 이루어진 금속관(15)이 형성된다. 또한, 셀의 내부 집전을 위하여 연료극(11) 내주면에는 Ni과 같은 전도성 물질로 이루어진 펠트(felt)층(16)이 형성된다.
그러나, 상기 종래의 연료극 지지형 고체 산화물 연료전지용 셀(10)은 집전부재로서 금속관(15)을 사용함에 따른 저항의 증가를 유발하며, 이로 인해 연료전지의 집전효율이 저하되는 문제점이 발생한다. 또한, 연료전지의 집전효율을 높이기 위하여 상기 연료극(11) 내주면에 펠트층(16)을 형성하는 경우에는 펠트층(16) 형성을 위한 수작업 공정으로 인하여 제조공정상의 어려움이 초래될 수 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 수소가스 이송과 집전을 위해 셀 내부에 형성되는 금속관을 도전체로 대체함에 따라 저항을 감소시켜 집전효율을 향상시킬 수 있는 연료극 지지형 고체 산화물 연료전지용 셀을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 목적은 연료전지의 집전효율을 높이기 위하여 연료극 내주면에 형성하는 펠트층을 도전체로 대체함에 따라 제조공정을 단순화하여 생산성을 현저히 증대시킬 수 있는 연료극 지지형 고체 산화물 연료전지용 셀을 제공하는 것이다.
본 발명의 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀은 원통형의 연료극을 지지체로 하고, 그 외주면에 전해질과 공기극이 순차적층된 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지용 셀은 상기 연료극의 내측에 중공부를 가지고, 상기 중공부에는 셀 내부 집전을 위한 복수개의 구형상을 갖는 도전체가 상기 중공부의 내부를 채우도록 삽입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고체산화물 연료전지용 셀은 상기 연료극의 내주면에 금속층이 추가로 접촉형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 중공부에는 촉매제가 추가로 삽입되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 중공부에는 복수개의 도전체간 접촉면적을 증가시키기 위한 금속부재가 추가로 삽입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고체산화물 연료전지용 셀은 가스 분배부가 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 도전체는 융점 800℃ 이상의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또, 상기 금속층은 Ni을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀은 수소가스 이송과 집전을 위해 셀 내부에 형성되는 금속관을 도전체로 대체함에 따라 저항을 감소시켜 집전효율을 향상시킬 수 있으며, 집전효율을 높이기 위하여 연료극 내주면에 형성하는 펠트층을 도전체로 대체함에 따라 제조공정을 단순화하여 생산성을 현저히 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명의 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀(100)을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀의 단면도이다. 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 원통형의 연료극(101) 을 지지체로 하고, 그 외주면에 전해질(102)과 공기극(103)이 순차적층된 고체산화물 연료전지용 셀(100)에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지용 셀(100)은 상기 연료극(101)의 내측에 중공부(107)를 가지고, 상기 중공부(107)에는 셀 내부 집전을 위한 복수개의 도전체(105)가 삽입된다.
상기 중공부(107)에 삽입되는 복수개의 도전체(105)는 종래의 수소가스 이송과 집전을 위해 셀 내부에 형성되는 금속관과 연료전지의 집전효율을 높이기 위하여 연료극 내주면에 형성되는 펠트층을 대체할 수 있고, 상기 도전체(105)는 예컨대, Ni과 같은 융점 800℃ 이상의 금속으로 이루어질 수 있으며, 상기 고체산화물 연료전지용 셀(100)의 특성에 따라 구형, 타원형, 정육면체, 또는 다각형 등의 다양한 형상과 크기로 형성될 수 있다.
한편, 집전부재로서 SUS로 이루어진 금속관이 형성되는 경우에는 저항의 증가가 유발되어 이로 인해 연료전지의 집전효율이 저하되는 문제가 발생되고, 또한, 집전효율을 높이기 위하여 연료극 내주면에 펠트층을 형성하는 경우에는 집전효율은 향상될 수 있으나 펠트층 형성을 위하여 수작업 공정으로 인해 결국 제조공정상의 어려움에 따른 생산성 저하로 이어진다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀(100)은 상기 중공부(107)에 셀 내부 집전을 위하여 복수개의 도전체(105)가 삽입됨으로써 저항을 감소시켜 집전효율을 높일 수 있고, 제조공정을 단순화할 수 있는 장점이 있다.
상기 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 셀(100)의 단면도로, 상기 도 3은 연료극(101)의 내주면에 금속층(208)이 추가로 접촉 형성된 것을 도시하였다. 상기 금속층(208)이 더 형성됨으로써 집전 능력을 더욱 향상시킬 수 있게 되고, 상기 금속층은 Ni과 같은 단일 금속이 이용될 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀(100)의 다른 단면도로, 본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀(100)은 상기 중공부(107)에 촉매제(309)가 추가로 삽입된 예를 나타내었다.
본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀(100)은 상기 중공부(107)에 도전체(105)와 함께 촉매제(309)를 추가로 삽입되어 개질기에서 미반응된 가스의 개질효과를 증가할 수 있는 장점이 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀(100)의 다른 단면도들로, 상기 중공부(107)에는 복수개의 도전체(105)간 접촉면적을 증가시키기 위한 금속부재(410)가 추가로 삽입될 수 있으며, 상기 금속부재(410)가 추가로 삽입됨으로써 상기 도전체(105)간의 접촉면적을 증가시킬 수 있게 되어 저항을 더욱 감소시킬 수 있게 된다.
상기 도 5a는 상기 금속부재(410)로서 상기 도전체들 간의 연결기능을 갖는 금속시트(sheet)가 삽입된 예를 나타내었고, 상기 도 5b에서는 상기 도전체들 간의 일정한 배열기능을 갖는 금속메쉬(mesh)가 삽입된 예를 도시하였으며, 상기 도 5c에서는 십자(+)모양의 금속부재가 삽입된 예를 나타내었다. 상기 금속부재(410)는 상기 고체산화물 연료전지용 셀(100)의 크기 및 연료극(101)의 특성에 따라 다양한 크기 및 형태로 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀(100)의 다른 단면도로, 상기 고체산화물 연료전지용 셀(100)은 가스의 인입 경로 측에 가스 분배부(511)가 더 형성될 수 있다.
본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀(100)은 상기 가스 분배부(511)가 상기 셀 내부에 형성되어 수소가스를 골고루 공급할 수 있어 반응성을 높일 수 있는 장점이 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 종래의 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 다른 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 다른 단면도이다.
도 5a는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 다른 단면도이다.
도 5b는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 다른 단면도이다.
도 5c는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 다른 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 다른 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10: 종래의 고체산화물 연료전지용 셀
100: 본 발명의 고체산화물 연료전지용 셀
11, 101: 연료극 12, 102: 전해질
13, 103: 공기극 14, 104: 실링 캡(Sealing Cap)
15: 금속관 16: Ni-펠트층
105: 도전체 107: 중공부
208: 금속층 309: 촉매제
410: 금속부재 511: 가스분배부

Claims (10)

  1. 원통형의 연료극을 지지체로 하고, 그 외주면에 전해질과 공기극이 순차적층된 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지용 셀은 상기 연료극의 내측에 중공부를 가지고,
    상기 중공부에는 셀 내부 집전을 위한 복수개의 구형상을 갖는 도전체가 상기 중공부의 내부를 채우도록 삽입되는 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지용 셀은
    상기 연료극의 내주면에 금속층이 추가로 접촉형성되는 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 중공부에는 촉매제가 추가로 삽입되는 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 중공부에는 복수개의 도전체간 접촉면적을 증가시키기 위한 금속부재가 추가로 삽입되는 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 금속부재는 상기 도전체들 간의 연결기능을 갖는 금 속시트(sheet)인 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 금속부재는 상기 도전체들 간의 일정한 배열기능을 갖는 금속메쉬(mesh)인 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 금속부재는 십자(+)모양의 부재인 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지용 셀은 가스의 인입 경로 측에 가스 분배부가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 도전체는 융점 800℃ 이상의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀.
  10. 제 2항에 있어서, 상기 금속층은 Ni을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체산화물 연료전지용 셀.
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