KR101162008B1 - 분배판을 포함하는 연료 전지 - Google Patents

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임형태
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Abstract

본 발명은 전기화학반응에 의해서 발열량이 많은 곳에 수소함유 연료를 공급하여 연료전지 및 이를 포함하는 연료전지 스택 내부의 온도편차를 최소화하는 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 하며, 이를 달성하기 위하여 공기극 전극과 연료극 전극 사이에 전해질이 배치되는 단위 전지; 상기 단위 전지의 양측에 각각 배치되는 한 쌍의 분리판; 및, 연료측 분리판과 상기 단위 전지 사이에서 상기 분리판을 통하여 공급되는 연료를 분배하는 분배수단을 구비한 연료 전지를 제공한다.

Description

분배판을 포함하는 연료 전지{Fuel Cell with Distribute Plate}
본 발명은 직접내부개질용 연료분배판에 관한 것으로 구체적으로는 고체 산화물 연료 전지 스택에서 연료극 가스인 수소함유 연료의 유입량을 연료극 전지에 불균일하게 유입되도록 하여 스택 내부의 온도 편차를 최소화하도록 하는 분배판을 포함한 연료전지에 대한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 반응물의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 에너지 변환 장치이다. 일반적으로 연료전지는 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode) 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전해질 매트릭스 또는 맴브레인으로 구성된다. 이러한 연료전지는 애노드로 연료가스가 주입되어 산화되고, 캐소드로 공기가 공급되어 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전해질 매트릭스 혹은 멤브레인을 통하여 이온이 이동되어 외부 회로를 경유하는 방식으로 작동된다.
도 1 에는 연료전지 중 일반적인 평판형 고체산화물 연료전지의 스택 모습을 나타내는 도면이 도시되어 있다. 고체산화물 연료전지는 산소 이온 전도성을 갖는 전해질(3)과 그 양면에 위치한 공기극(4) 및 연료극(2) 전극으로 이루어져 있으며, 각 전극에 산소와 수소를 각각 공급하면, 공기극(4)에서 산소의 환원반응을 통해 생성된 산소이온이 전해질을 지나 연료극(2)으로 이동한 후, 연료극(2)에 공급된 수소와 반응하여 물을 형성하게 된다.
이때 연료극(2)에서 생성된 전자가 공기극(4)으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르게 되며, 이를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 것이다. 따라서 고체산화물 연료전지에서 일어나는 화학반응은 수소와 산소가 만나 물이 되는 반응과 동일하다.
한편 전해질, 공기극 및 연료극으로 이루어진 연료전지를 단위전지라고 하며, 1개의 단위전지가 생산하는 전기 에너지의 양은 매우 제한적이기 때문에 연료전지를 발전에 활용하기 위해서는 단위전지를 여러 개 쌓아 놓은 형태인 스택 구조의 형성이 불가피하다. 분리판(5)을 통하여 스택 구조를 이루는 각각의 단위전지를 연결한다.
일반적으로, 연료전지용 연료 공급물로서는 메탄과 같은 수소함유 연료를 이용하고, 이러한 연료를 개질(改質)하여, 조립체를 통해 흐르는 수소함유 연료처리 가스를 생성한다.
개질이 되는 위치에 따라서, 연료전지 내부에서 개질을 하는 경우를 내부 개질이라고 한다. 즉, 내부 개질은 연료전지 내부에서 메탄과 같은 수소 함유 연료를 수소로 개질하는 것을 의미한다.
이러한, 내부개질 고온 연료전지 조립체는 고가의 복잡한 외부개질 장비가 필요하지 않은 이점이 있으며, 흡열반응(예, 열 흡수)을 하는 개질 반응이 사용되어 조립체를 냉각하는데 유용하다는 이점이 있다.
하지만, 고체산화물 연료전지(SOFC)와 같이 고온의 작동온도(700℃이상)를 가지는 연료전지의 경우 니켈계 연료극에서의 개질 반응이 활발하여 메탄과 같은 수소함유 연료가 유입되자마자 연료 공급부 측에서 빠르게 반응한다. 도 2 에서 표시한 영역(10)과 와 같이 연료 공급부 측에서 대부분이 개질되며, 개질이 많이 일어나면서 발생하는 흡열로 인하여, 연료 공급부 측의 연료극의 온도가 하락한다.
이와 같이 일부 영역에 대하여 온도가 하락하는 경우에, 다른 부분과 온도편차를 발생시키며, 온도편차가 크게 발생하는 경우 과도한 국부 열응력을 발생시킨다. 이러한 열응력은 연료전지에 치명적 결함이라고 할 수 있는 셀 균열 및 셀 깨짐을 유발할 수 있다는 문제가 있다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기화학반응에 의해서 발열량이 많은 곳에 수소함유 연료를 공급하여 연료전지 및 이를 포함하는 연료전지 스택 내부의 온도편차를 최소화하는 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 연료전지에 수소함유 연료를 분배함에 있어서, 연료전지의 성능에는 영향을 주지않고 내부의 온도편차를 최소화하는 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 위와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로 다음과 같은 연료전지를 제공한다.
본 발명은 공기극 전극과 연료극 전극 사이에 전해질이 배치되는 단위 전지; 상기 단위 전지의 양측에 각각 배치되는 한 쌍의 분리판; 및, 연료극측 분리판과 상기 단위 전지 사이에서 상기 분리판을 통하여 공급되는 연료를 분배하는 분배수단을 구비한 연료 전지를 제공한다.
이 때, 상기 분배수단은 복수의 관통 홀이 형성된 분배판일 수 있다.
또, 상기 단위 전지와 상기 연료극측 분리판 사이에 배치되는 연료극 집전체를 더 포함하며, 상기 분배 수단은 상기 연료극 집전체의 상측 혹은 하측에 배치될 수 있다.
또한, 상기 분배판은 전도성 소재의 판재로 형성되는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 단위 전지의 반응 집중 영역에 대응되는 위치에 상기 관통 홀이 형성될 수 있다.
다르게는, 상기 관통 홀 중 연료 유입측에 가장 가깝게 배치된 관통 홀이 가장 작은 면적을 갖을 수 있다.
또한, 상기 분배판에서 상기 단위 전지의 반응 집중 영역에 대응되는 위치에서 상기 관통 홀의 분포 밀도가 가장 높거나, 상기 관통 홀의 면적이 가장 클 수도 있다.
본 발명은 위와 같은 구성을 통하여 전기화학반응에 의해서 발열량이 많은 곳에 수소함유 연료를 공급하여 연료전지 및 이를 포함하는 연료전지 스택 내부의 온도편차를 최소화하는 연료전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 연료전지에 수소함유 연료를 분배함에 있어서, 연료전지의 성능에는 영향을 주지않고 내부의 온도편차를 최소화하는 연료전지를 제공한다.
도 1 은 종래의 평판형 고체산화물 연료전지의 스택 모습을 나타내는 분해사시도이다.
도 2 는 종래의 평판형 고체산화물 연료전지(SOFC)에서 내부 개질이 있는 경우 개질이 주로 일어나는 영역을 표시한 도면이다.
도 3a 은 본 발명에 따른 분배판을 포함하는 연료전지의 제 1 실시예의 단면도이며, 도 3b는 제 1 실시예에서 전기화학반응이 많은 영역 및 그에 대응하는 분배판의 형상의 평면도이다.
도 4a 은 본 발명에 따른 분배판을 포함하는 연료전지의 제 2 실시예의 단면도이며, 도 4b는 제 2 실시예에서 전기화학반응이 많은 영역 및 그에 대응하는 분배판의 형상의 평면도이다.
도 5a 은 본 발명에 따른 분배판을 포함하는 연료전지의 제 3 실시예의 단면도이며, 도 5b는 제 3 실시예에서 전기화학반응이 많은 영역 및 그에 대응하는 분배판의 형상의 평면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하도록 한다.
동일한 구성에 대하여는 동일한 도면부호를 사용하도록 한다.
도 3a 에는 본 발명의 제 1 실시예의 단면도가 도시되어 있다.
도 3a 에서 보이듯이, 본 발명의 제 1 실시예인 연료전지 혹은 연료전지 스택(100)은 양측에 분리판(104)이 배치되며, 분리판(104) 사이로 아래에서부터 분배판(103), 연료극 집전체(102), 단위 전지(101), 공기극 집전체(105)가 순차적으로 적층되어 있다.
여기서 단위 전지(101)는 산소 이온 전도성을 갖는 전해질 막(3)과 그 양면에 위치한 캐소드로서의 공기극(4) 및 애노드로서의 연료극(2) 전극의 조립체로 형성된다.
분리판(304)에는 공기극 가스채널(107)과 연료극 가스채널(106)이 형성되어 있으며, 공기극 가스채널(107)에는 외부로부터 공기가 공급되어 흐르며, 연료극 가스채널(106)로부터는 수소함유 연료가 흐른다. 연료극 및 공기극 가스채널(106, 107)을 통과한 가스(공기 혹은 수소함유 연료)는 각각 연료극(2) 및 공기극(4)으로 공급된다.
본 발명의 분배판(103)은 연료극(2) 측 분배판(103)과 연료극 집전체(102) 사이에 배치된다. 또한, 분배판(103)에는 관통 홀(103a)이 복수 개 형성되어 있다. 분리판(104)의 연료극 가스체널(106)을 통과한 수소함유 연료가스는 분배판(103)의 관통 홀(103a)을 통하여 연료극(2)으로 공급되어 개질 및 전기화학반응이 일어나게 된다.
도 3b 에는 제 1 실시예에서 단위 전지(101)에서의 반응 집중 영역(110)이 형성된 모습 및 분배판(103)에서 관통 홀(103a)이 배치된 모습이 도시되어 있다.
단위 전지(101)의 경우, 분리판(104)에서 가스채널의 형성 위치 및 방향, 분리판(104)으로 유입되는 가스의 종류 및 공급량에 따라서 반응 집중 영역(110)이 다르게 나타난다. 여기서 반응 집중 영역(110)이란, 연료극으로부터의 수소와 공기극으로부터 산소가 활발하게 반응하는 영역을 의미한다.
이러한 반응 집중 영역(110)은 수소와 산소가 만나는 전기화학반응은 발열반응이라는 점을 고려할 때 단위 전지(101)의 온도 분포를 분석함으로써 얻어질 수 있으며, 가스채널의 형성 위치 및 방향, 가스의 종류 및 공급량이 결정되는 경우에, 실제 연료전지에서도 실험과 동일한 영역에서 반응 집중 영역(110)이 얻어지므로, 분배판 없이 실험하였을 때 단위 전지(101)의 온도 분포을 통하여 반응 집중 영역(110)을 파악할 수 있다.
다르게는, 단위 전지의 온도분포를 직접측정하기 어려울 때는 분리판(104)에 열전대를 배치하여 분리판(104)의 온도로부터 단위 전지(101)에서의 반응 집중 영역을 파악할 수 있다. 또한, 반응 집중 영역은 특정온도 이상을 가지는 영역으로 특정될 수 있다
도 3b의 좌측도와 같은 반응 집중 영역을 가졌을 때, 분배판(103)에서의 관통 홀(103a)의 배치가 도 3b 의 우측도에 나타나 있다.
도 3b의 우측도에서 확인할 수 있듯이, 분배판(103)은 단위 전지(101)의 반응 집중 영역(110)과 동일한 위치에서 다수의 사각 관통 홀(103a)이 배치된다. 즉, 분배판(103)에서 단위 전지의 반응 집중 영역(110)에 대응되는 위치에 관통 홀(103a)의 분포 밀도가 높다.
이렇게 반응 집중 영역(110)에 대응되는 위치에 다수의 관통 홀(103a)이 배치됨으로써, 분리판(104)의 연료극 가스채널(106)을 통과한 연료가스의 많은 양이 반응 집중 영역(110)에 대응되는 위치의 관통 홀(103a)을 통과하게 되므로, 반응 집중 영역(110)에서 많은 개질이 발생한다.
배경기술에서 설명한 바와 같이, 수소함유 연료가스가 수소가스로 변하는 개질 반응은 흡열 반응이며, 따라서, 단위 전지(101)의 반응 집중 영역(110)에서 발생한 전기화학반응의 발열량을 개질 반응의 흡열량으로서 흡수할 수 있다. 따라서, 반응 집중 영역에서의 고온부 및 개질 집중부(연료 공급측)에서의 저온부의 온도 편차는 현저하게 감소될 수 있다.
이 때, 분배판(103)은 단위 전지(101)와 분리판(104)을 분리시키므로, 전류가 통과하는 전도성 재질의 판재, 예를 들면 스테인리스 스틸 및 니켈 판재로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 분배판(103)이 추가됨으로 인하여, 연료전지(100) 및 이러한 연료전지가 적층되는 연료전지 스택의 높이가 상승될 수 있으므로, 분배판(103)은 0.1~1㎜ 사이의 얇은 판재로 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 분배판(103)의 표면에 접촉저항 특성 및 내부식성 향상을 위하여 스트린 프린팅(screen printing)법, 디핑(dipping)법, 테입 캐스팅(tape casting)법, 페인팅(painting)법 및 닥터 블레이드(doctor blade)법의 코팅방법으로 표면층을 형성하는 것이 바람직하다.
도 4a 에는 본 발명의 제 2 실시예의 단면도가 도시되어 있으며, 도 4b의 좌측도에는 반응 집중 영역이, 우측도에는 좌측도와 같은 반응 집중 영역에 대응되는 관통 홀(203a)의 배치가 도시되어 있다.
제 2 실시예에서는 제 1 실시예와 마찬가지로, 양측에 분리판(204)이 배치되며, 분리판(204) 사이로 아래에서부터 연료극 집전체(202), 분배판(203), 단위 전지(201), 공기극 집전체(205)가 순차적으로 적층되어 있다. 여기서 단위 전지(201)는 제 1 실시예와 동일하므로, 간략히 도시하였다.
제 2 실시예에서는 연료극 집전체(202) 상부에 분배판(203)을 배치하였으며, 따라서, 연료극 집전체를 통과한 수소함유 연료가 분배판(203)을 통하여 연료극으로 유입될 수 있으며, 연료극에서 개질반응이 발생한다.
도 4b 에 도시되어 있듯이, 제 2 실시예에서 반응 집중 영역(210)은 일측부로 편중되어 있다. 이와 같은 경우에, 제 1 실시예와 유사하게 반응 집중 영역(210)에 대응되는 위치에 다수의 관통 홀(203a)을 배치시켜, 즉, 관통 홀의 배치 밀도를 높여, 반응 집중 영역(210)에서 발생되는 열량을 개질 반응의 흡열로서 흡수하여, 전체 연료전지의 온도편차를 현격하게 줄일 수 있다.
또한, 연료 공급측(도 4a 좌측도에서 화살표가 시작되는 방향)에서 활발한 개질 반응을 막기 위하여, 분배판(203)에서 연료 공급측에는 작은 밀도로 관통 홀(203a)을 배치시킨다. 따라서, 공급되는 연료가 연료 공급측의 연료극에서 모두 개질 반응하는 것이 회피될 수 있으며, 그에 따라서 연료 공급측이 저온부로 형성되지 않으므로, 연료전지(200)에서 온도 편차를 감소시킬 수 있다.
도 5a 에는 본 발명의 제 3 실시예의 단면도가 도시되어 있으며, 도 5b의 좌측도에는 반응 집중 영역이, 우측도에는 좌측도와 같은 반응 집중 영역에 대응되는 관통 홀(303a)의 배치가 도시되어 있다.
제 3 실시예에서는 제 1 실시예와 마찬가지로, 양측에 분리판(304)이 배치되며, 분리판(204) 사이로 아래에서부터 분배판(303), 단위 전지(301), 공기극 집전체(305)가 순차적으로 적층되어 있다. 여기서 단위 전지(301)는 제 1 실시예와 동일하므로, 간략히 도시하였다.
제 3 실시예에서는 제 1 및 제 2 실시예와는 달리 연료극 집전체(102, 202)가 적층되지 않았다. 연료극 집전체(102, 202)는 연료전지 설계에 따라서 제거될 수 있는 부분이며, 그에 따라서 연료극 집전체(102, 202)가 없을 때 분배판(303)은 연료극측 분리판(304)과 단위 전지(301)사이에 배치되어 분리판(304)의 연료 가스채널(307)로부터 공급되는 수소함유 연료가스를 단위 전지(301)의 연료극(2; 도 3a 참고)으로 분배시킨다.
도 5b 에 도시되어 있듯이, 제 3 실시예에서 반응 집중 영역(310)은 중앙부이다. 이와 같은 경우에, 제 1 실시예와 유사하게 반응 집중 영역(310)에 대응되는 위치에 다수의 관통 홀(303a)을 배치시킬 뿐만 아니라, 배치되는 관통 홀(303a)의 개별 면적 역시 타 영역에 비하여 크게 형성시킨다.
따라서, 관통 홀(303a)의 배치 밀도 및 관통 홀(303a)의 면적을 증대시켜, 개질 반응을 활발하게 하여, 반응 집중 영역(310)에서 발생되는 열량을 흡수할 수 있다. 이로 인하여 전체 연료전지의 온도편차를 현격하게 감소될 수 있다.
또한, 제 2 실시예와 동일하게 연료 공급측(도 5a 좌측도에서 화살표가 시작되는 방향)에서 활발한 개질 반응을 막기 위하여, 분배판(303)에서 연료 공급측에는 작은 면적의 관통 홀(303a)을 배치시킨다. 이는 연료 공급측에서 연료극으로 공급되는 연료를 감소시키며, 따라서, 연료 공급측이 저온부로 형성되지 않아 연료전지(300)에서의 온도 편차를 감소시킬 수 있다.
위에서는, 관통 홀(103a, 203a, 303a)이 사각형, 원형 혹은 타원형으로 형성되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다각형으로 형성되더라도 무방하며, 동일한 형상이 아닌 다양한 형상의 관통 홀이 형성될 수 있음은 물론이다.
또한, 연료극 집전체 뿐만 아니라 공기극 집전체 역시 필요에 따라서, 연료전지로부터 제거될 수 있다.
또한, 제 1 내지 제 3 실시예에서는 연료극 가스채널(106, 206, 306)과 공기극 가스채널(107, 207, 307)이 나란히 형성되는 것으로 도시하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 직교 혹은 경사지게 만나거나 굴곡되는 등 다양한 형태의 가스채널을 가지는 분리판에 적용될 수 있다.
100, 200, 300: 연료전지 101, 201, 301: 막-전지 어셈블리
102, 202: 연료극 집전체 103, 203, 303: 분배판
103a, 203a, 303a: 관통 홀 104, 204, 304: 분리판
105, 205, 305: 공기극 집전체 106, 206, 306: 연료극 가스채널
107, 207, 307: 공기극 가스채널 110, 210, 310: 반응 집중 영역

Claims (7)

  1. 공기극 전극과 연료극 전극 사이에 전해질이 배치되는 단위 전지;
    상기 단위 전지의 양측에 각각 배치되는 한 쌍의 분리판; 및,
    연료극측 분리판과 상기 단위 전지 사이에서 상기 분리판을 통하여 공급되는 연료를 분배하는 분배수단을 구비한 연료 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분배수단은 복수의 관통 홀이 형성된 분배판인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단위 전지와 상기 연료극측 분리판 사이에 배치되는 연료극 집전체를 더 포함하며,
    상기 분배 수단은 상기 연료극 집전체의 상측 혹은 하측에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 분배판은 스테인리스 스틸 또는 니켈 판재로 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분배판에서 상기 단위 전지의 반응 집중 영역에 대응되는 위치에 상기 관통 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  6. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관통 홀 중 연료 유입측에 가장 가깝게 배치된 관통 홀이 가장 작은 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 분배판에서 상기 단위 전지의 반응 집중 영역에 대응되는 위치에서 상기 관통 홀의 분포 밀도가 가장 높거나, 상기 관통 홀의 면적이 가장 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지.
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WO2024061382A1 (zh) * 2023-04-12 2024-03-28 广东省科学院新材料研究所 一种抗积碳自密封电气共生固体氧化物燃料电池结构

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JP2010103014A (ja) 2008-10-24 2010-05-06 Toshiba Corp 燃料電池

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