KR101160979B1 - 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 연료전지는, 연료가스 및 공기와 반응하여 전기화학반응을 일으키는 전해질을 포함하는 전해질막, 및 상기 전해질막의 일면과 타면에 배치되고, 상기 전해질막으로 공기 또는 연료가스를 공급하는 분리판을 포함하고, 상기 전해질막과 상기 분리판을 관통하는 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀에 보충용전해질이 충진되며, 상기 보충용전해질은 상기 전해질막으로 전해질을 보충한다.

여기서, 바이폴라판 및 상기 바이폴라판의 양면에 부착되는 한 쌍의 마스크판이 서로 접합된 부분에 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀에 보충용전해질, 또는 보충용전해질이 담지된 담지체를 충진하여, 전해질막으로 보충용전해질을 안정적으로 보충함으로써, 연료전지의 작동효율과 내구성을 향상시킬 수 있다.

연료전지, 용융탄산염, 분리판, 마스크판, 바이폴라판, 전해질

Description

연료전지{FUEL CELL}

본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 작동 중인 전해질막(또는 전해질매트릭스 복합체)에서 고갈되는 전해질을 보충함으로써 제품의 작동 효율과 내구성을 동시에 향상시키는 연료전지에 관한 것이다.

여러 가지의 연료전지 중에서 리튬, 포타슘, 및 소듐 탄산염의 혼합물, 혹은 여기에 소량의 탄산화물이나 산화물의 첨가제가 들어간 탄산염의 혼합물을 녹는점 이상의 온도에서 용융시켜 다공성 구조를 가진 알루미나(Al2O3), 혹은 리튬 알루미네이트(LiAlO2) 재질의 매트릭스의 기공에 모세관압을 이용하여 함침시켜 전해질 물질로 사용하는 연료전지가 용융탄산염 연료전지(MCFC)이다.

MCFC는 전해질 층 양쪽에 위치한 두 전극판인 연료극과 공기극에 각각 수소를 포함한 연료 기체와 산소를 포함한 공기를 공급함으로써 전해질층에 이온 전도현상을 유도하고 이로 인한 전위차로부터 외부 회로로 전류의 이동을 유도함으로써 연료의 화학에너지로부터 전기를 생산하는 발전장치로써 에너지 전환 단계가 간단하고 원리적으로 수소를 산화시켜 에너지를 얻기 때문에 고효율, 무공해 발전장치이다.

MCFC의 기본단위인 단위전지는 용융된 전해질이 매트릭스(담지체)의 기공에 함침되어 형성된 전해질/매트릭스 복합체와 이들 전해질/매트릭스 복합체 양쪽에 각각 설치된 다공성 니켈 재질의 연료극판 및 공기극판으로 구성된다.

여기서, 스택이란 이들 단위전지를 분리판을 사이에 두고 적층한 것으로, 다공성 매트릭스의 기공 크기를 다공성 연료극 및 공기극의 기공 크기보다 작게 유지하여 매트릭스의 모든 기공이 전해질로 채워져 있어야지만 연료 기체와 공기의 직접적인 접촉에 의한 산화 반응을 억제할 수 있다.

전해질의 양은 매트릭스의 기공을 채우고도 남아서 연료극과 공기극의 기공 일부도 채울 수 있어야지만 전극과 전해질, 기체가 모두 만나서 전기화학반응이 일어나는 삼상계면을 형성할 수 있다.

도 1은 종래의 바이폴라판과 한 쌍의 마스크판으로 이루어진 용융탄산염 연료전지의 분리판의 분해 사시도이다.

도시한 바와 같이, 전해질막 사이에 개재되는 분리판(100)은 가스전극(100), 제1마스크판(120a), 바이폴라판(130), 제2마스크판(120b), 및 공기전극(110b)을 포함하여 구성된다.

상기 가스전극과 상기 전극들(110a, 110b)은 상기 제1,2마스크판(120a, 120b)의 가운데 움푹 들어간 부분에 배치되어, 상기 전해질막에 밀착되고, 상기 제1,2마스크판(120a, 120b)과 상기 바이폴라판(130)의 가장자리에는 매니폴드부(150)가 형성되고, 상기 매니폴드부(150)에는 연료가스 또는 공기가 흐르는 홀(H)이 형성된다.

한편, 상기 전해질막에 담지된 용융탄산염 연료전지의 전해질은 작동 온도에서 액체상태이기 때문에 증기압이 높으므로 증발이 계속되어 시간이 흐를수록 줄어드는 전해질 고갈 현상을 일으키게 된다.

아울러, 전해질 고갈 현상이 일어나면 삼상계면이 감소하여 전기화학반응이 일어날 수 있는 빈도수가 줄어들면서 연료전지 스택의 전기 생산량이 감소한다.

따라서, 전해질 고갈 현상이 심각하게 진행되면 매트릭스(담지체)의 기공이 전해질로 충분히 채워지지 않음으로써 연료 기체와 공기가 직접적인 접촉에 의한 산화반응을 일으켜서 스택의 수명을 단축시키게 된다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 전해질막(다공성 맥트릭스)에서 점차로 고갈되는 전해질을 보충해줌으로써 작동효율과 내구성이 동시에 향상된 연료전지를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지는, 연료가스 및 공기와 반응하여 전기화학반응을 일으키는 전해질을 포함하는 전해질막, 및 상기 전해질막의 일면과 타면에 배치되고, 상기 전해질막으로 공기 또는 연료가스를 공급하는 분리판을 포함하고, 상기 전해질막과 상기 분리판을 관통하는 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀에 보충용전해질이 충진되며, 상기 보충용전해질은 상기 전해질막으로 전해질을 보충한다.

상기 관통홀의 내측면을 따라서 전해질담지체가 부착되고, 상기 전해질담지체 내부에는 상기 보충용전해질이 담지된다.

상기 전해질담지체는 원통형으로 형성되고, 그 내측 공간으로 상기 보충용전해질이 충진된다.

상기 전해질담지체는 원통형으로 형성되고, 그 내측 공간으로 담지체유닛들이 배치되며, 상기 담지체유닛들은 상기 보충용전해질이 담지된다.

상기 관통홀의 내측으로 담지체유닛들이 배치되고, 상기 담지체유닛들은 상기 보충용전해질이 담지된다.

상기 담지체유닛들은 펠릿(pellet)과 같은 구형, 또는 육면체로 성형된다.

상기 분리판은, 바이폴라판, 및 상기 바이폴라판의 양면에 배치되는 한 쌍의 마스크판을 포함한다.

상기 분리판에서, 상기 관통홀은 상기 바이폴라판에 상기 한 쌍의 마스크판이 밀착 접합된 부분에 형성되고,

상기 관통홀은 상기 전해질막과 연결되도록 상기 분리판의 가장자리의 매니폴드부에 형성된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지에 의하면, 바이폴라판 및 상기 바이폴라판의 양면에 부착되는 한 쌍의 마스크판이 서로 접합된 부분에 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀에 보충용전해질, 또는 보충용전해질이 담지된 담지체를 충진하여, 전해질막으로 보충용전해질을 안정적으로 보충함으로써, 연료전지의 작동효율과 내구성을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 바이폴라판과 한 쌍의 마스크판으로 이루어진 용융탄산염 연료전지의 분리판의 일부 단면도이다.

도 2를 참조하면, 전해질막(230)을 사이에 두고 상부에 제1분리판(222a)이 배치되고, 하부에 제2분리판(222b)이 배치된다.

상기 제1분리판(222a)은 가운데 바이폴라판(210a), 및 상기 바이폴라판(210a)의 상부와 하부에 배치되는 한 쌍의 마스크판(200a, 220a)을 포함한다. 아울러, 상기 제2분리판(222b)은 가운데 바이폴라판(210b), 및 상기 바이폴라판(210b)의 상부와 하부에 배치되는 한 쌍의 마스크판(200b, 220b)을 포함한다.

상기 제2분리판(222b), 상기 전해질막(230), 및 상기 제1분리판(222a)이 하부에서 상부로 적층되는 구조를 갖고 있으며, 그 일측에 상기 제2분리판(222b), 상기 전해질막(230), 및 상기 제1분리판(222a)을 상부로 관통하는 관통홀(240)이 형성된다.

상기 관통홀(240)은 상기 전해질막(230)과 연결되는 것이 바람직하다. 아울러, 상기 관통홀(240)은 상기 분리판(222a,b)의 가장자리 매니폴드부(도 1의 150)에 형성되고, 상기 관통홀(240)은 상기 제1분리판(222a)의 상기 바이폴라판(210a)과 한 쌍의 상기 마스크판(200a, 220a)이 서로 밀착되어 접합된 부분에 형성되는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 관통홀(240)은 상기 제2분리판(222b)의 상기 바이폴라판(210b)과 한 쌍의 상기 마스크판(200b, 220b)이 서로 밀착되어 밀착되어 접합된 부분에 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 바이폴라판(210a)과 상기 마스크판(200a, 220a)이 접합되지 않고 갭이 형성되는 경우, 상기 바이폴라판(210a)과 상기 마스크판(200a, 220a) 사이를 이동하는 연료가스 또는 공기가 누출될 수 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 상기 관통홀(240) 안에는 보충용전해질(250)이 충 진되어 있고, 상기 보충용전해질(250)은 상기 전해질막(230)의 가장자리로 전해질을 보충하게 된다. 여기서, 상기 관통홀(240)의 직경은 상기 보충용전해질(250)이 충분히 충전될 수 있는 크기를 갖는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 바이폴라판과 한 쌍의 마스크판으로 이루어진 용융탄산염 연료전지의 분리판의 일부 단면도이다. 도 3에서 도 2에서 설명한 부분과 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 설명을 생략한다.

도 3을 참조하면, 상기 관통홀(240)의 내측면을 따라서 전해질담지체(300)가 부착되고, 상기 전해질담지체(300)는 원형 파이프 구조를 가질 수 있다. 상기 전해질담지체(300)의 외측면은 상기 전해질막(230)과 접촉하고 있다.

원형 파이프 구조의 상기 전해질담지체(300)는 상기 전해질막(230)과 같이 그 내부에 전해질을 수용할 수 있는 기공들이 형성되는 것이 바람직하다.

상기 전해질담지체(300)의 내부로 모세관현상에 의해서 상기 보충용전해질(250)이 흡수되고, 상기 보충용전해질(250)은 원통형 상기 전해질담지체(300)를 통해서 상기 전해질막(230)으로 공급된다.

상기 전해질담지체(300)에 형성된 미세 공극이나 모세관을 통해서 상기 보충용전해질(250)이 이동하기 때문에, 상기 보충용전해질(250)이 하부로 유출되더라도, 모세관현상에 의해서 상부의 상기 전해질막(230)으로 용이하게 공급된다.

본 발명의 실시예에서, 상기 전해질담지체(300)는 상기 전해질막(230)과 같은 다공성 매트릭스가 사용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 바이폴라판과 한 쌍의 마스크판으로 이 루어진 용융탄산염 연료전지의 분리판의 일부 단면도이다. 도 4에서 도 2 및 도 3에서 설명된 내용과 동일 또는 유사한 구조에 대해서는 설명을 생략한다.

도 4를 참조하면, 상기 제1분리판(222a), 상기 전해질막(230), 및 상기 제2분리판(222b)을 관통하여 상기 관통홀(240)이 형성되고, 상기 관통홀(240) 안으로 전해질담지유닛들(400)이 충진된다.

상기 전해질담지유닛들(400)은 펠릿(pellet)과 같은 작은 원형의 알갱이들이고, 그 내부에 보충용전해질이 담지된다. 상기 전해질담지유닛들(400) 내부에 담지된 상기 보충용전해질이 상기 전해질막(230)으로 보충된다.

본 발명의 실시예에서, 상기 전해질담지유닛들(400)은 상기 전해질막(230)과 같은 다공성 매트릭스 재질인 것이 바람직하다. 아울러, 상기 전해질담지유닛들(400)은 육면체, 구형 등 여러 가지 입체구조로 형성될 수 있다.

도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 바이폴라판과 한 쌍의 마스크판으로 이루어진 용융탄산염 연료전지의 분리판의 일부 단면도이다. 도 5에서 도 2, 도 3, 및 도 4에서 설명된 내용과 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 설명을 생략한다.

도 5를 참조하면, 상기 관통홀(240)의 내측면을 따라서 원형 파이프 형태의 전해질담지체(300)가 삽입되어 장착된다.

원형 파이프 구조를 갖는 상기 전해질담지체(300)는 상기 전해질막(230)과 접촉하고 있으며, 상기 전해질막(230)과 같이 그 내부에 전해질을 수용할 수 있는 기공들이 형성되는 것이 바람직하다.

상기 전해질담지체(300) 내부 공간으로 전해질담지유닛들(400)이 충진되고, 상기 전해질담지유닛들(400)은 펠릿(pellet)과 같은 작은 원형의 알갱이들이며, 그 내부에 보충용전해질이 담지된다.

상기 전해질담지유닛들(400) 각 내부에 담지된 보충용전해질이 상기 전해질담지체(300)를 통해서 상기 전해질막(230)으로 보충된다.

본 발명의 실시예에서, 상기 전해질담지유닛들(400)은 상기 전해질막(230)과 같은 다공성 매트릭스 재질인 것이 바람직하다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

도 1은 종래의 바이폴라판과 한 쌍의 마스크판으로 이루어진 용융탄산염 연료전지의 분리판의 분해 사시도이다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 바이폴라판과 한 쌍의 마스크판으로 이루어진 용융탄산염 연료전지의 분리판의 일부 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 바이폴라판과 한 쌍의 마스크판으로 이루어진 용융탄산염 연료전지의 분리판의 일부 단면도이다.

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 바이폴라판과 한 쌍의 마스크판으로 이루어진 용융탄산염 연료전지의 분리판의 일부 단면도이다.

도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 바이폴라판과 한 쌍의 마스크판으로 이루어진 용융탄산염 연료전지의 분리판의 일부 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

222a, 222b: 분리판

200a, 220a, 220b, 2200b: 마스크판

210a, 210b: 바이폴라판

230: 전해질막

240: 관통홀

250: 보충용전해질

300: 전해질담지체

400: 전해질담지유닛들

Claims (8)

1. 내부 매니폴드 방식의 연료전지에 있어서,

   연료가스 및 공기와 반응하여 전기화학반응을 일으키는 전해질을 포함하는 전해질막; 및

   상기 전해질막의 상부 및 하부에 배치되고, 바이폴라판과 상기 바이폴라판의 상부 및 하부에 배치되는 한 쌍의 마스크판으로 이루어지고, 상기 공기 및 연료가스가 통과하지 못하도록 상기 바이폴라판 및 한 쌍의 마스크판이 모두 접합되며 상기 전해질막, 바이폴라판 및 한 쌍의 마스크판을 관통하는 관통홀이 형성된 분리판; 을 포함하되,

   상기 관통홀은, 상기 바이폴라판과 상기 한 쌍의 마스크판이 그 외곽과 서로 접합되는 부분에 형성되며,

   상기 관통홀에 보충용전해질 또는 상기 보충용전해질이 담지된 구형 또는 육면체로 성형된 담지체유닛이 충진되며, 상기 보충용전해질은 상기 전해질막으로 이동하여 전해질을 보충하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에서,

   외측면이 상기 전해질막과 접촉하고, 상기 관통홀의 내측면을 따라 형성된 원통형의 다공성 전해질담지체를 더 포함하되, 상기 전해질담지체 내부에는 상기 보충용전해질 또는 상기 보충용전해질이 담지된 담지체유닛이 충진되는 것을 특징으로 하는 연료전지.

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