KR101171605B1 - 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일측면은 불량 셀(cell)을 포함하는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법으로서, 상기 셀의 프레임(frame)과 분리판 사이의 공기 또는 연료의 흐름을 차단할 수 있도록 전도성 페이스트를 이용하여 상기 프레임과 분리판 사이에 차단체를 형성하는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법을 제공함으로써,
상기 차단체로 전자가 이동하여 반대 방향으로 전위차가 형성되는 것을 억제할 수 있고, 동시에 상기 차단체가 연료와 공기의 흐름을 차단하여 기체 크로스오버를 방지할 수 있다.

Description

고체산화물 연료전지 스택의 수리방법{METHOD FOR REPAIRING STACK OF SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 발명은 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고체산화물 연료전지의 작동 중에 연료전지 스택에서 불량 셀(cell)이 발생할 경우 상기 셀의 프레임(frame)과 분리판 사이에 전도성 페이스트로 차단체를 형성함으로써, 공기 또는 연료의 흐름을 차단하면서 스택의 전기 연결을 유지할 수 있는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell; SOFC)는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개로 적층된 구조로 이루어진다. 단위 전지는 전해질막, 상기 전해질막의 일면에 위치하는 양극(공기극)과 전해질막의 다른 일면에 위치하는 음극(연료극)을 포함한다.
공기극에 산소를 공급하고 음극에 수소를 공급하면, 공기극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질막을 지나 음극으로 이동한 후 음극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 음극에서 생성된 전자가 공기극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.
전해질, 공기극 및 연료극으로 이루어진 연료 전지를 단위 전지(셀, cell)라고 하며, 1개의 단위 전지가 생산하는 전기에너지의 양은 매우 제한적이기 때문에 연료전지를 발전에 이용하기 위해서는 단위전지를 직렬로 연결해 놓은 형태인 적층 구조물(스택, stack)을 제작하게 된다. 스택을 형성하기 위해 각각의 단위 전지의 공기극과 연료극을 전기적으로 연결하면서 연료와 공기의 혼합을 막기 위해 분리판을 이용한다.
일반적으로, 상기 셀(cell)을 셀의 프레임(frame)에 위치시킨 후 상기 프레임과 분리판을 반복적으로 적층하여 고체산화물 연료전지의 스택을 형성하게 되는데, 이때 상기 연료와 공기를 투입하기 위해서 상기 스택을 통관하는 매니폴드 홀(hole)을 형성하고, 상기 홀을 통해 분리판의 유로로 기체를 투입하게 되는데, 연료극과 접촉하는 분리판의 유로 쪽으로는 연료를, 공기극과 접촉하는 분리판의 유로 쪽으로는 공기를 투입하게 된다.
이하, 도 1을 통해 평판형 고체산화물 연료전지 스택의 구조를 살펴보는데, 이는 연료전지 스택 구조의 보다 완전한 이해를 위해 일례를 제시한 것이고, 하기 도면에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
먼저, 도 1에 나타난 바와 같이 분리판(1)/셀 프레임(2)/분리판(1)/셀 프레임(2)이 반복적으로 적층됨으로써 연료전지 스택을 형성하게 되고, 상기 셀 프레임(2)은 상기 셀로 투입되는 연료 또는 공기가 흐를 수 있는 홀을 형성하기 위해 셀을 포함하는 프레임을 형성시킨 것이다. 또한, 분리판(1)과 셀이 접촉하는 부분에는 연료 또는 공기가 이동할 수 있는 유로가 분리판(1)에 형성된다.
그리고, 상기와 같이 형성된 스택을 통관하는 매니폴드 홀(3, 4)을 형성하게 기체를 투입하게 되는데, 연료 및 공기가 혼합되지 않도록 공기가 투입되는 매니폴드 홀(3)의 입구 및 출구와 연료가 투입되는 매니폴드 홀(4)의 입구 및 출구는 별개의 홀로 형성된다. 상기 매니폴드 홀(3, 4)을 통해 투입된 기체는 분리판의 유로를 따라 이동하여 셀에서 전자를 생성 및 소비시키는 반응을 일으킴으로써 전기에너지를 발생하게 되는 것이다.
그러나, 상기 연료전지 스택은 많은 수의 분리판과 셀 프레임이 연속적으로 적층되고, 작동시 고온에서 높은 압력이 가해지는 과정에서 일부 셀의 성능이 저하되어 불량 셀로 발생하는 경우가 있을 수 있다. 이와 같이, 연료전지 스택 중에 불량 셀이 부분적으로 발생하게 되면 불량 셀의 내부저항은 크기 때문에 전류가 가해지면 전위차가 낮아지고, 심할 경우 다른 셀과는 반대 방향으로 전위차가 형성되어 연료전지 스택의 성능에 심각한 저해를 가져오는 문제점이 생긴다.
특히, 연료전지 스택을 구성하는 셀은 모두 전기적으로 직렬로 연결되어 있기 때문에, 일부 성능이 낮은 불량 셀이 있을 경우 다른 정상적인 셀들도 영향을 받아 전체적인 연료전지의 성능을 저하시키게 된다.
뿐만 아니라, 전해질층의 균열이 생기면 기체 크로스오버(cross-over)가 일어나는 불량 셀이 있을 수 있는데, 이로 인해 연료와 공기가 혼합되게 되면 연소반응이 일어나고, 이에 따라 셀의 온도를 상승시켜 연료전지 스택의 성능을 급격히 저하시키며, 연료전지 전체의 수명을 단축시키는 문제점을 발생시키게 된다.
이러한 불량 셀을 포함하는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법으로 종래에 제시된 기술을 보면, 불량 셀의 위 및 아래에 형성되어 있는 2개의 분리판을 다이오드로 연결하여 전기적 접촉을 유지함으로써, 반대 방향으로 전위차가 형성되는 것을 억제하려는 시도가 있었다.
그러나, 이 경우 연료전지 스택의 제조시에 각 분리판 사이에 다이오드를 연결하는 과정이 필요하므로 제조비용이 많이 소요되고, 또한 이러한 방법은 전위차가 다른 셀들과 반대 방향으로 형성되는 것을 방지해주는 것에 불과할 뿐 기체 크로스오버가 일어나고 있는 불량 셀에 대해서는 연료와 공기를 차단할 수 있는 아무런 방법이 없기 때문에, 상기 연료와 공기의 혼합으로 인한 문제점을 해결할 수 없었다.
따라서, 고체산화물 연료전지 스택에서 불량 셀이 발생할 경우 반대 방향으로 전위차가 형성되는 것을 억제함과 동시에, 기체 크로스오버를 방지하기 위해 연료와 공기의 흐름을 차단할 수 있는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법에 대한 연구가 매우 절실한 시점이라 할 수 있다.
본 발명의 일측면은 고체산화물 연료전지 스택에서 불량 셀이 발생할 경우 반대 방향으로 전위차가 형성되는 것을 억제함과 동시에, 기체 크로스오버를 방지하기 위해 연료와 공기의 흐름을 차단할 수 있는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법을 제공한다.
본 발명의 일측면은 불량 셀(cell)을 포함하는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법으로서, 상기 셀의 프레임(frame)과 분리판 사이의 공기 또는 연료의 흐름을 차단할 수 있도록 전도성 페이스트를 이용하여 상기 프레임과 분리판 사이에 차단체를 형성하는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법을 제공한다.
이때, 상기 차단체는 상기 프레임과 분리판에 형성된 매니폴드 홀(hole) 주위를 감싸는 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 차단체는 상기 매니폴드 홀의 입구 및 출구 주위를 모두 감싸는 형태로 형성되는 것이 보다 바람직하다.
한편, 상기 매니폴드 홀 중 공기가 투입되는 매니폴드 홀 주위에 상기 차단체를 형성시킬 경우 상기 전도성 페이스트로 세라믹 페이스트를 사용하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 세라믹 페이스트로 란탄-망간 산화물, 란탄-스트론튬-망간 산화물, 란탄-스트론튬-철-코발트 산화물, 스트론튬-코발트 산화물, 란탄-크롬 산화물, 란탄-스트론튬-코발트-크롬 산화물, 란탄-칼슘-코발트-크롬 산화물 및 란탄-스트론튬-크롬 산화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 매니폴드 홀 중 연료가 투입되는 매니폴드 홀 주위에 상기 차단체를 형성시킬 경우 상기 전도성 페이스트로 금속 페이스트를 사용하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 금속 페이스트로 니켈 페이스트, 은 페이스트, 백금 페이스트, 구리 페이스트, 금 페이스트 및 철 페이스트로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 일측면에 따르면, 고체산화물 연료전지 스택에서 불량 셀이 발생할 경우 메니폴드 홀 주위에 전도성 페이스트로 차단체를 형성함으로써, 상기 차단체로 전자가 이동하여 반대 방향으로 전위차가 형성되는 것을 억제할 수 있고, 동시에 상기 차단체가 연료와 공기의 흐름을 차단하여 기체 크로스오버를 방지할 수 있다.
도 1은 고체산화물 연료전-지 스택의 조립 전 구조의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 2는 고체산화물 연료전지 스택의 조립 후 단면을 개략적으로 나타낸 것으로서, 본 발명의 일례에 따라 전도성 페이스트로 차단체를 형성한 것이다.
본 발명의 일측면은 불량 셀(cell)을 포함하는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법으로서, 상기 셀의 프레임(frame)과 분리판 사이의 공기 또는 연료의 흐름을 차단할 수 있도록 전도성 페이스트를 이용하여 상기 프레임과 분리판 사이에 차단체를 형성하는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법을 제공한다.
종래에는 연료전지 스택에서 불량 셀이 발생할 경우 전위차가 반대 방향으로 형성되는 것을 방지하기 위해 분리판 사이를 다이오드로 연결하는 기술은 있었으나, 이는 기체 크로스오버가 일어나는 불량 셀에 대해서는 아무런 대책이 없었기 때문에, 연료와 공기의 혼합으로 인해 연소반응이 일어나고, 이에 따라 스택의 성능이 급격히 저하되는 것을 막을 수 없는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 일측면은 불량 셀의 프레임과 상기 프레임에 결합되는 분리판 사이에 페이스트로 차단체를 형성하여 불량 셀로는 공기나 연료가 이동할 수 없도록 한 것이다. 이에 따라, 상기 공기나 연료의 흐름이 차단되어 전기가 연결되지 않게 되는데, 전기의 연결을 위해 종래와 같이 분리판 사이에 다이오드를 별도로 연결할 경우 제조비용이 급격히 상승하기 때문에, 상기 공기나 연료의 흐름을 차단하기 위해 형성한 차단체의 재료인 페이스트 자체를 전도성 페이스트로 사용함으로써, 효율적으로 기체의 흐름을 차단함과 동시에 전기의 흐름을 연결할 수 있는 것이다.
즉, 상기 불량 셀의 프레임과 분리판 사이에 공기나 연료의 흐름을 차단할 수 있도록 전도성 페이스트로 차단시킬 경우 기체 크로스오버 현상을 방지할 수 있고, 이에 따라 다른 정상적인 전지와 전위차가 반대로 형성되는 등의 문제를 해결함과 동시에, 페이스트 자체가 전자가 이동하는 경로를 제공하여 저비용으로 매우 효율적인 스택의 수리가 가능하게 된다.
이하, 도 2를 통해 페이스트가 형성된 연료전지 스택을 개략적으로 살펴보는데, 이는 본 발명의 보다 완전한 이해를 위해 개념적인 일례를 제시한 것이고, 하기 도면에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
도 2는 기본적으로 조립 전의 스택의 구조를 나타낸 도 1에서 스택을 조립한 후의 단면을 개념적으로 나타낸 것인데, 공기 투입용 매니폴드 홀(3)로 공기가 투입되고, 상기 공기가 불량 셀을 포함하는 셀 프레임(2)으로 유입되지 않도록 분리판(1)과 셀 프레임(2) 사이에 전도성 페이스트를 채워서 차단체(5)를 형성하여 공기의 흐름을 차단한 것이다. 이에 따라, 공기가 불량 셀로 유입되지 않기 때문에 기체 크로스오버에 의한 문제를 방지할 수 있고, 전자의 이동 경로도 제공할 수 있다.
또한, 마찬가지로 연료 투입용 매니폴드 홀(4)로 연료가 투입되고, 이러한 연료가 불량 셀을 포함하는 셀 프레임(2)으로 유입되지 않도록 분리판(1)과 셀 프레임(2) 사이에 전도성 페이스트를 채워서 차단체(6)를 형성하여 공기의 흐름을 차단하고 있다.
이때, 상기 차단체는 상기 프레임과 분리판에 형성된 매니폴드 홀(hole) 주위를 감싸는 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 차단체의 역할은 공기나 연료가 불량 셀로 유입되는 것을 방지하기 위한 것이기 때문에, 상기 공기나 연료가 투입되는 매니폴드 홀 주위를 바로 감싸는 것이 보다 효율적으로 기체의 흐름을 막을 수 있는 방법이다.
또한, 상기 차단체는 상기 매니폴드 홀의 입구 및 출구 주위를 모두 감싸는 형태로 형성되는 것이 보다 바람직하다. 도 2에도 공기의 흐름을 차단하기 위해 공기투입용 매니폴드 홀(3)의 입구 주위를 감싸는 차단체(5)가 형성된 구조로 나타나 있는데, 하나의 차단체만으로는 공기의 유입이 완전히 차단되지 않을 가능성이 있으므로, 동시에 공기투입용 매니폴드 홀(3)의 출구 주위를 감싸는 차단체(5)를 더 형성하여 이중으로 공기의 흐름을 방지하는 것이 보다 바람직하다.
마찬가지로, 연료투입용 매니폴드 홀(4)에도 페이스트로 입구 주위를 감싸는 차단체(6)를 형성하고, 이중 차단을 위해 출구 주위에도 차단체(6)를 더 형성한 구조로 나타내었다. 이와 같이, 매니폴드 홀의 입구 및 출구 주위를 모두 감싸는 형태로 차단체를 형성시킬 경우 공기와 연료의 흐름을 더욱 바람직하게 차단할 수 있으므로, 기체 크로스오버가 발생한 불량 셀을 포함하는 스택을 보다 효율적으로 수리할 수 있다.
한편, 상기 매니폴드 홀 중 공기가 투입되는 매니폴드 홀 주위에 상기 차단체를 형성시킬 경우에는 상기 전도성 페이스트로 세라믹 페이스트를 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 세라믹 페이스트로 란탄-망간 산화물, 란탄-스트론튬-망간 산화물, 란탄-스트론튬-철-코발트 산화물, 스트론튬-코발트 산화물, 란탄-크롬 산화물, 란탄-스트론튬-코발트-크롬 산화물, 란탄-칼슘-코발트-크롬 산화물 및 란탄-스트론튬-크롬 산화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
상기 세라믹 페이스트들은 전도성을 띠고 있어 전자가 용이하게 이동할 수 있는 경로의 역할을 함과 동시에, 소결 후 치밀한 구조를 형성하기 때문에 공기의 흐름을 효율적으로 차단할 수 있다. 또한, 금속 페이스트를 공기투입용 매니폴드 홀 주위에 차단체로 형성하게 되면 고체산화물 연료전지가 작동하는 고온에서 공기와 금속이 만나 표면에 산화스케일이 생성시키기 때문에, 공기투입용 매니폴드 홀 주위에는 금속 페이스트가 아니라 세라믹 페이스트를 사용하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 매니폴드 홀 중 연료가 투입되는 매니폴드 홀 주위에는 상기 차단체로 금속 페이스트를 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 금속 페이스트로 니켈 페이스트, 은 페이스트, 백금 페이스트, 구리 페이스트, 금 페이스트 및 철 페이스트로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
상기 연료투입용 매니폴드 홀 주위에는 금속 페이스트를 사용하더라도 고온에서 산화스케일이 발생하는 문제가 없기 때문에, 상기 금속 페이스트들과 같이 전기 전도성이 매우 우수한 금속 페이스트를 사용하는 것이 보다 바람직하고, 치밀한 구조로 형성되기 때문에 연료의 흐름을 차단하기에도 매우 효과적이다.
즉, 도 2를 통해 설명하면, 차단체(5)는 공기의 흐름을 차단하기 위한 것이므로, 전도성이 있는 세라믹 페이스트를 이용해 차단체(5)를 형성하는 것이 바람직하고, 차단체(6)은 연료의 흐름을 차단하기 위한 것이므로, 금속 페이스트를 이용해 차단체(6)를 형성하는 것이 바람직한 것이다.
상술한 본 발명의 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법에 따르면, 스택 중에 불량 셀이 발생하더라도 메니폴드 홀 주위에 전도성 페이스트로 차단체를 형성하는 방법을 통해 전자의 이동경로를 제공하여 반대 방향으로 전위차가 형성되는 것을 억제할 수 있고, 동시에 상기 차단체가 연료와 공기의 흐름을 차단하여 기체 크로스오버를 방지함으로써, 전체 연료전지 스택의 성능이 저하되는 것을 차단할 수 있다.
1: 분리판
2: 셀 프레임
3: 공기 투입용 매니폴드 홀
4: 연료 투입용 매니폴드 홀
5: 차단체(세라믹 페이스트)
6: 차단체(금속 페이스트)

Claims (7)

  1. 불량 셀(cell)을 포함하는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법으로서, 상기 셀의 프레임(frame)과 분리판 사이의 공기 또는 연료의 흐름을 차단할 수 있도록 전도성 페이스트를 이용하여 상기 프레임과 분리판 사이에 차단체를 형성하는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 차단체는 상기 프레임과 분리판에 형성된 매니폴드 홀(hole) 주위를 감싸는 형태로 형성되는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 차단체는 상기 매니폴드 홀의 입구 및 출구 주위를 모두 감싸는 형태로 형성되는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 매니폴드 홀 중 공기가 투입되는 매니폴드 홀 주위에 상기 차단체를 형성시킬 경우 상기 전도성 페이스트로 세라믹 페이스트를 사용하는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 세라믹 페이스트로 란탄-망간 산화물, 란탄-스트론튬-망간 산화물, 란탄-스트론튬-철-코발트 산화물, 스트론튬-코발트 산화물, 란탄-크롬 산화물, 란탄-스트론튬-코발트-크롬 산화물, 란탄-칼슘-코발트-크롬 산화물 및 란탄-스트론튬-크롬 산화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 사용하는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법.
  6. 청구항 4 또는 5에 있어서,
    상기 매니폴드 홀 중 연료가 투입되는 매니폴드 홀 주위에 상기 차단체를 형성시킬 경우 상기 전도성 페이스트로 금속 페이스트를 사용하는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 금속 페이스트로 니켈 페이스트, 은 페이스트, 백금 페이스트, 구리 페이스트, 금 페이스트 및 철 페이스트로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 사용하는 고체산화물 연료전지 스택의 수리방법.
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