KR101162668B1 - 고체산화물 연료전지 - Google Patents

Abstract

고체산화물 연료전지는 전해질막과 공기극 및 연료극을 포함하는 단위전지와, 접합층에 의해 단위전지의 가장자리에 고정되는 프레임과, 공기극과 프레임의 외측에 위치하고 제1 밀봉재에 의해 프레임에 고정되며 공기유로를 형성하는 제1 분리판과, 연료극과 프레임의 외측에 위치하고 제2 밀봉재에 의해 프레임에 고정되며 연료유로를 형성하는 제2 분리판과, 공기유로의 가장자리를 따라 제1 분리판과 프레임 사이에 위치하고 접합층과 중첩되어 제1 분리판에 가해지는 압력을 접합층으로 전달하는 지지체를 포함한다.

Description

고체산화물 연료전지 {SOLID OXIDE FUEL CELL}

본 발명은 고체산화물 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택을 제조하는 과정에서 접합층으로 압력을 전달할 수 있는 압력전달 구조에 관한 것이다.

고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)는 연료기체의 화학에너지를 전기화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이며, 다른 연료전지에 비해 효율이 높고 공해가 적으며 복합 발전이 가능한 장점이 있다.

고체산화물 연료전지는 단위전지들과 분리판들이 적층된 스택을 포함한다. 각각의 단위전지는 전해질막과, 전해질막의 일면에 형성된 연료극과, 전해질막의 다른 일면에 형성된 공기극으로 구성된다. 단위전지의 가장자리에는 프레임이 고정되어 단위전지를 지지하며, 한 쌍의 분리판이 단위전지와 프레임의 외측에 위치한다.

연료극과 마주하는 분리판에는 연료유로가 형성되고, 공기극과 마주하는 분리판에는 공기유로가 형성되어 단위전지로 연료와 공기를 공급한다. 프레임은 접합층에 의해 단위전지에 고정되고, 프레임과 한 쌍의 분리판 사이에 밀봉재가 위치하여 단위전지로 공급된 연료와 공기의 누출을 차단한다.

스택 제조를 위해 단위전지, 접합층, 프레임, 밀봉재, 및 분리판을 적층하고, 고온에서 이들을 가압하여 일체로 조립한다. 이 과정에서 스택에 압력을 가하여 밀봉재의 두께를 균일하게 만드는데, 접합층으로도 압력이 전달되어야 접합층의 두께를 균일하게 만들 수 있다.

이를 위해 종래에는 어느 하나의 분리판에 돌출부를 형성하고, 돌출부로 접합층과 프레임의 접합부위를 눌러 접합층에 압력을 전달한다. 돌출부를 구비한 분리판은 유로를 만드는 1차 식각공정과, 돌출부를 만드는 2차 식각공정을 거쳐 제조된다. 그런데 식각공정의 특성상 설계높이 대비 공정편차가 존재하며, 2회에 걸쳐 식각을 진행하면 전체적인 공정편차는 더욱 커지게 된다.

이 경우 접합층의 최종 수축 두께가 변함은 물론 접합층의 국부적인 수축률 차이가 발생하여 스택 내부에서 단위전지와 프레임의 밀봉이 불안정해진다. 따라서 단위전지 양단의 전위차가 감소하여 스택의 전기 출력량이 낮아진다. 또한, 국부적인 온도 상승이나 전압 불균일이 발생하고, 이로 인해 단위전지의 열화현상이 심해져 스택의 수명이 단축된다.

본 발명은 분리판의 공정편차를 줄이고 제조과정을 간소화하며, 스택을 제조하는 과정에서 접합층으로 압력을 전달하여 단위전지와 프레임의 밀봉 불균일 문제를 해소할 수 있는 고체산화물 연료전지를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는 전해질막과 공기극 및 연료극을 포함하는 단위전지와, 접합층에 의해 단위전지의 가장자리에 고정되는 프레임과, 공기극과 프레임의 외측에 위치하고 제1 밀봉재에 의해 프레임에 고정되며 공기유로를 형성하는 제1 분리판과, 연료극과 프레임의 외측에 위치하고 제2 밀봉재에 의해 프레임에 고정되며 연료유로를 형성하는 제2 분리판과, 공기유로의 가장자리를 따라 제1 분리판과 프레임 사이에 위치하고 접합층과 중첩되어 제1 분리판에 가해지는 압력을 접합층으로 전달하는 지지체를 포함한다.

공기극과 제1 분리판 사이에 공기극 집전체가 위치하고, 연료극과 제2 분리판 사이에 연료극 집전체가 위치할 수 있다.

프레임은 접합층과 중첩되어 접합층에 밀착되는 고정부와, 고정부 및 단위전지의 외측에 위치하며 고정부보다 큰 두께를 가지는 지지부를 포함할 수 있다.

지지체는 고정부보다 큰 폭으로 형성되며, 고정부 전체 및 지지부 일부에 밀착될 수 있다.

제1 분리판은 공기유로의 가장자리에 공기입구 매니폴드와 공기출구 매니폴드를 형성하며, 지지체에는 공기가 통과하는 복수의 개구부가 형성될 수 있다.

지지체는 공기유로의 가장자리를 따라 사각 프레임 모양으로 형성되고, 내부에 빈 공간을 형성하는 한 쌍의 수평부와 한 쌍의 수직부로 구성될 수 있다.

한 쌍의 수평부 중 공기입구 매니폴드 및 공기출구 매니폴드와 마주하는 위치에 제1 개구부가 형성되고, 한 쌍의 수직부에 복수의 제2 개구부가 형성될 수 있다.

지지체는 세라믹과, 절연막이 코팅된 금속체 중 어느 하나로 제조될 수 있다. 전해질막과 지지체는 이트리아-안정화 지르코니아로 제조될 수 있다. 금속체는 프레임과 제1 분리판 및 제2 분리판 중 적어도 하나와 같은 금속으로 제조될 수 있다.

본 발명에 의한 고체산화물 연료전지의 스택은 접합층의 수축 두께를 균일하게 하여 단위전지와 프레임의 밀봉성능을 높임에 따라 스택의 내구성과 수명을 향상시키며, 제1 분리판의 공정편차를 줄이면서 제조과정을 간소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 고체산화물 연료전지 중 제1 분리판의 제조공정을 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시한 고체산화물 연료전지 중 지지체의 사시도이다.
도 4는 도 3의 A-A선을 따라 절개한 지지체의 단면도이다.

본 발명의 이점과 특징 및 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 개시되는 실시예들에 한정되지 않으며 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 아래의 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의된다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 고체산화물 연료전지에 대해 설명한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.

도 1을 참고하면, 고체산화물 연료전지(100)는 단위전지(10)와, 단위전지(10)의 가장자리에 고정되어 단위전지(10)를 지지하는 프레임(20)과, 단위전지(10)와 프레임(20)의 양측에 배치된 한 쌍의 분리판(31, 32)을 포함한다. 도 1에 도시한 단위전지(10)와 프레임(20) 및 한 쌍의 분리판(31, 32)은 스택의 최소 단위로서 이들이 복수개로 반복 적층되어 고체산화물 연료전지(100)의 스택을 구성한다.

단위전지(10)는 전해질막(11)과, 전해질막(11)의 일면에 형성된 공기극(12)과, 전해질막(11)의 다른 일면에 형성된 연료극(13)을 포함한다. 공기극(12)의 외측에는 공기극 집전체(14)와 제1 분리판(31)이 위치하고, 연료극(13)의 외측에는 연료극 집전체(15)와 제2 분리판(32)이 위치한다.

공기극 집전체(14)와 마주하는 제1 분리판(31)의 일면에는 공기유로(33)가 형성되어 공기극(12)으로 공기를 전달한다. 연료극 집전체(15)와 마주하는 제2 분리판(32)의 일면에는 연료유로(34)가 형성되어 연료극(13)으로 연료를 전달한다.

전해질막(11)은 치밀하게 구성되어 연료가스와 공기의 투과를 차단하며, 전자전도성은 없으나 산소이온 전도성은 높은 물질로 형성된다. 반면 공기극(12)과 연료극(13)은 공기와 연료가스가 잘 확산 공급되도록 다공질로 구성되고, 높은 전자전도성을 가지는 물질로 형성된다.

공기극(12)에서는 산소의 환원반응이 일어나 산소이온이 생성되며, 전해질막(11)을 통해 연료극(13)으로 이동한 산소이온은 연료극(13)의 수소와 반응하여 수증기를 생성한다. 이때 연료극(13)에서는 전자가 생성되고, 공기극(12)에서는 전자가 소모되므로 두 전극(12, 13)을 연결하는 외부회로에 전기가 흐른다.

공기극 집전체(14)는 공기극(12)의 기계적 강도를 높이면서 공기극(12)과 제1 분리판(31)이 전기를 잘 통하도록 이들의 접촉성능을 보강하는 역할을 한다. 연료극 집전체(15) 또한 연료극(13)의 기계적 강도를 높이면서 연료극(13)과 제2 분리판(32)이 전기를 잘 통하도록 이들의 접촉성능을 보강하는 역할을 한다. 공기극 집전체(14)와 연료극 집전체(15)는 금속 발포체로 형성될 수 있으며, 제1 분리판(31)과 제2 분리판(32)은 금속으로 제조될 수 있다.

프레임(20)은 접합층(40)에 의해 단위전지(10)의 가장자리에 부착되어 단위전지(10)를 지지한다. 단위전지(10)에서 공기극(12)과 공기극 집전체(14)는 연료극(13) 및 연료극 집전체(15)보다 작은 크기로 형성되고, 공기극(12)과 공기극 집전체(14)의 둘레를 따라 전해질막(11) 위로 접합층(40)이 위치할 수 있다. 프레임(20)은 금속으로 제조되고, 접합층(40)은 유리 계열 물질, 예를 들어 글래스 프릿을 포함할 수 있다.

프레임(20)은 단위전지(10)를 향한 일측에 접합층(40) 전체와 전해질막(11)의 일부 및 연료극(13)의 일부를 수용하는 절개부(23)를 형성할 수 있다. 즉 프레임(20)은 접합층(40)과 중첩되어 접합층(40)에 밀착 고정되는 고정부(21)와, 고정부(21)와 단위전지(10)의 외측에 위치하며 고정부(21)를 지지하는 지지부(22)로 구분될 수 있다. 지지부(22)는 고정부(21)보다 큰 두께로 형성될 수 있다.

프레임(20)과 제1 분리판(31) 사이에는 제1 밀봉재(41)가 위치하고, 프레임(20)과 제2 분리판(32) 사이에는 제2 밀봉재(42)가 위치한다. 제1 및 제2 밀봉재(41, 42)는 지지부(22)보다 작은 폭으로 형성되며, 접합층(40)과 같은 물질로 형성된다. 제1 및 제2 밀봉재(41, 42)는 프레임(20)과 제1 및 제2 분리판들(31, 32) 사이를 밀봉하여 단위전지(10)로 공급된 공기와 연료의 누출을 방지한다.

제1 분리판(31)에 형성된 공기유로(33)의 가장자리에는 견고한 소재로 제조된 일정 높이의 지지체(50)가 배치된다. 지지체(50)는 공기유로(33)의 가장자리에서 단위전지(10)의 두께방향(도 1을 기준으로 수직방향)을 따라 프레임(20)의 고정부(21)와 제1 분리판(31) 사이에 위치한다. 또한, 지지체(50)는 단위전지(10)의 면방향(도 1을 기준으로 수평방향)을 따라 제1 밀봉재(41)의 내측에 위치한다.

단위전지(10), 접합층(40), 프레임(20), 한 쌍의 밀봉재(41, 42), 및 한 쌍의 분리판(31, 32)은 도 1에 도시한 순서로 적층되고, 고온에서 가압되어 일체로 조립된다. 이 과정에서 밀봉재(41, 42)는 고온에서 소정의 점성을 가지면서 가스 투과를 차단하는 기능을 하고, 스택에는 수직면압이 인가되어 밀봉재(41, 42)를 균일한 두께로 수축시키면서 스택의 구성요소들이 견고하게 접합되도록 한다.

이때 제1 밀봉재(41)의 내측으로 제1 분리판(31)과 고정부(21) 사이에 지지체(50)가 위치함에 따라, 지지체(50)는 제1 분리판(31)에 가해진 수직면압에 의해 고정부(21)에 밀착되어 접합층(40)으로 수직면압을 전달한다. 따라서 접합층(40)으로도 스택의 수직면압이 전달되어 밀봉재(41, 42)와 더불어 접합층(40) 또한 균일한 두께로 수축한다.

따라서 본 실시예의 고체산화물 연료전지(100)는 스택 내부에서 단위전지(10)와 프레임(20)의 밀봉을 균일하게 할 수 있으며, 그 결과 단위전지(10)와 프레임(20)의 밀봉 불균일에 의한 스택의 전기적 출력손실과 열화를 방지하여 스택의 내구성을 높이고, 스택의 수명을 연장시킬 수 있다.

지지체(50)는 스택에 가해지는 수직면압 이상의 외력 인가시 높이 변화가 없는 견고한 물질로 형성된다. 그리고 지지체(50)는 고정부(21)보다 큰 폭을 갖도록 형성되어 고정부(21) 전체 및 지지부(22)의 일부에 밀착될 수 있다.

전술한 지지체(50)는 제1 분리판(31)과 별개로 형성되므로 제1 분리판(31)은 공기유로(33)를 형성하는 한번의 식각공정을 거쳐 제조될 수 있다. 도 2는 도 1에 도시한 고체산화물 연료전지 중 제1 분리판의 제조공정을 나타낸 개략도이다.

도 2를 참고하면, 제1 분리판(31)은 일정 두께의 금속판(35)을 준비하고, 금속판(35)의 일면을 일정 깊이로 식각하여 공기유로(33)를 형성하는 과정을 거쳐 제조된다. 이와 같이 제1 분리판(31)은 1단 식각공정만을 거쳐 제조되므로 공정편차를 최소화하면서 제조공정을 간소화할 수 있다.

도 3은 도 1에 도시한 고체산화물 연료전지 중 지지체의 사시도이고, 도 4는 도 3의 A-A선을 따라 절개한 지지체의 단면도이다.

도 1과 도 3 및 도 4를 참고하면, 지지체(50)는 공기유로(33)의 가장자리에 대응하여 사각 프레임 모양으로 형성된다. 지지체(50)는 한 쌍의 수평부(51)와 한 쌍의 수직부(52)로 구성되며, 그 내부에 빈 공간을 형성할 수 있다. 지지체(50)는 공기 흐름에 방해가 되지 않도록 복수의 개구부(53, 54)를 형성하여 내부와 외부가 연통되도록 한다.

제1 분리판(31) 중 공기유로(33)의 가장자리에는 공기입구 매니폴드(36)와 공기출구 매니폴드(37)가 형성된다. 공기입구 매니폴드(36)는 스택 외부와 연결되어 공기유로(33)로 공기를 제공한다. 제공된 공기는 공기유로(33)를 따라 흐르면서 공기극(12)으로 전달되고, 미반응 공기는 공기출구 매니폴드(37)를 통해 스택 외부로 배출된다.

지지체(50)의 수평부(51) 중 공기입구 매니폴드(36) 및 공기출구 매니폴드(37)와 마주하는 위치에 한 쌍의 제1 개구부(53)가 형성되며, 지지체(50)의 수직부(52)에는 복수의 제2 개구부(54)가 형성된다. 따라서 지지체(50)는 공기입구 매니폴드(36)로부터 공기유로(33)를 거쳐 공기출구 매니폴드(37)로 이어지는 공기의 흐름을 방해하지 않는다.

제1 개구부(53)는 한 쌍의 수평부(51) 및 제1 분리판(31)과 접하는 수평부(51)에 형성되고, 제2 개구부(54)는 한 쌍의 수직부(52) 모두에 형성될 수 있다. 도 3에 나타낸 제1 개구부(53)와 제2 개구부(54)의 모양과 크기 및 제2 개구부(54)의 간격 등은 하나의 실시예일뿐 이들의 모양과 크기 및 간격 등은 도시한 예에 한정되지 않는다. 또한, 도 1에서는 편의상 지지체(50)의 제1 개구부(53) 및 제2 개구부(54)의 도시를 생략하였다.

지지체(50)는 세라믹 또는 금속으로 제조될 수 있다. 지지체(50)는 전해질막(11)과 동일한 이트리아-안정화 지르코니아로 제조될 수 있다. 또한, 지지체(50)는 프레임(20) 및 한 쌍의 분리판(31, 32) 중 적어도 하나와 동일한 금속으로 제조될 수 있다. 이 경우 고체산화물 연료전지(100)의 고온 작동 환경에서 지지체(50)의 열팽창 계수와 고체산화물 연료전지(100)의 다른 구성요소들간 열팽창 계수 차이를 최소화할 수 있으므로 스택의 내구성을 높일 수 있다.

이때 금속으로 제조된 지지체(50)는 그 표면이 절연막(도시하지 않음)으로 덮여 프레임(20) 및 제1 분리판(31)과 절연을 유지한다. 지지체(50) 표면의 절연막은 세라믹으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 전해질막(11)과 동일한 이트리아-안정화 지르코니아를 포함할 수 있다.

만일 지지체(50) 표면에 절연막이 없으면, 프레임(20)은 지지체(50)와 제1 분리판(31)을 매개로 단위전지(10)의 공기극(12)과 통전된다. 이 상태에서 스택 접합시 단위전지(10)의 위치 이동으로 연료극(13)이 어긋나 프레임(20)과 접하게 되면 프레임(20)을 매개로 단위전지(10)의 연료극(13)과 공기극(12)이 통전된다. 이 경우 단위전지(10)의 전기 출력량이 낮아지고 단위전지(10)가 열화된다.

따라서 금속으로 제조된 지지체(50)는 그 표면에 절연막을 구비함으로써 스택 접합시 연료극(13)이 프레임(20)과 접촉하는 경우가 발생하더라도 공기극(12)과 연료극(13)이 통전되는 것을 방지한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100: 고체산화물 연료전지 10: 단위전지
11: 전해질막 12: 공기극
13: 연료극 14: 공기극 집전체
15: 연료극 집전체 20: 프레임
21: 고정부 22: 지지부
23: 절개부 31: 제1 분리판
32: 제2 분리판 33: 공기유로
34: 연료유로 40: 접합층
41: 제1 밀봉재 42: 제2 밀봉재
50: 지지체

Claims (10)

1. 전해질막, 상기 전해질막의 일면에 형성된 공기극, 및 상기 전해질막의 다른 일면에 형성된 연료극을 포함하는 단위전지;
   접합층에 의해 상기 단위전지의 가장자리에 고정되는 프레임;
   상기 공기극과 상기 프레임의 외측에 위치하고 제1 밀봉재에 의해 상기 프레임에 고정되며 공기유로를 형성하는 제1 분리판;
   상기 연료극과 상기 프레임의 외측에 위치하고 제2 밀봉재에 의해 상기 프레임에 고정되며 연료유로를 형성하는 제2 분리판; 및
   상기 공기유로의 가장자리를 따라 상기 제1 분리판과 상기 프레임 사이에 위치하고, 상기 접합층과 중첩되어 상기 제1 분리판에 가해지는 압력을 상기 접합층으로 전달하는 지지체
   를 포함하는 고체산화물 연료전지.
2. 제1항에 있어서,
   상기 공기극과 상기 제1 분리판 사이에 공기극 집전체가 위치하고,
   상기 연료극과 상기 제2 분리판 사이에 연료극 집전체가 위치하는 고체산화물 연료전지.
3. 제1항에 있어서,
   상기 프레임은 상기 접합층과 중첩되어 상기 접합층에 밀착되는 고정부와, 상기 고정부 및 상기 단위전지의 외측에 위치하며 상기 고정부보다 큰 두께를 가지는 지지부를 포함하는 고체산화물 연료전지.
4. 제3항에 있어서,
   상기 지지체는 상기 고정부보다 큰 폭으로 형성되며, 상기 고정부 전체 및 상기 지지부 일부에 밀착되는 고체산화물 연료전지.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 분리판은 상기 공기유로의 가장자리에 공기입구 매니폴드와 공기출구 매니폴드를 형성하며,
   상기 지지체에는 공기가 통과하는 복수의 개구부가 형성되는 고체산화물 연료전지.
6. 제5항에 있어서,
   상기 지지체는 상기 공기유로의 가장자리를 따라 사각 프레임 모양으로 형성되고, 내부에 빈 공간을 형성하는 한 쌍의 수평부와 한 쌍의 수직부로 구성되는 고체산화물 연료전지.
7. 제6항에 있어서,
   상기 한 쌍의 수평부 중 상기 공기입구 매니폴드 및 상기 공기출구 매니폴드와 마주하는 위치에 제1 개구부가 형성되고,
   상기 한 쌍의 수직부에 복수의 제2 개구부가 형성되는 고체산화물 연료전지.
8. 제5항에 있어서,
   상기 지지체는 세라믹과, 절연막이 코팅된 금속체 중 어느 하나로 제조되는 고체산화물 연료전지.
9. 제8항에 있어서,
   상기 전해질막과 상기 지지체는 이트리아-안정화 지르코니아로 제조되는 고체산화물 연료전지.
10. 제8항에 있어서,
    상기 금속체는 상기 프레임과 상기 제1 분리판 및 상기 제2 분리판 중 적어도 하나와 같은 금속으로 제조되는 고체산화물 연료전지.

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