KR101171955B1 - 고체 산화물 연료전지 - Google Patents

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김신영
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Abstract

고체 산화물 연료전지가 개시된다. 연료기체가 주입되는 연료채널과 산소가 주입되는 산소채널이 형성되며, 상기 연료기체로부터 수소를 발생시키는 다공성 개질기; 상기 산소채널의 내주면에 형성되는 애노드; 상기 애노드 상에 형성되는 고체 전해질층; 상기 전해질층 상에 형성되는 캐소드를 포함하는 고체 산화물 연료전지는,

Description

고체 산화물 연료전지{Solid Oxide Fuel Cell}
본 발명은 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다.
SOFC로 전력을 생산하기 위해서는 연료로 수소와 일산화탄소를 사용한다. 보통의 연료전지라면 일산화탄소는 연료전지의 촉매를 피독시켜 성능을 저하시키기 때문에 연료로 사용되지 못하고 별도의 개질기와 CO 저감장치를 설치하여 일산화탄소만 따로 분리한다.
그러나 SOFC는 일산화탄소에 의한 성능 저하를 고려할 필요가 없다. 그러므로 천연가스나 부탄, 기타 화석연료로부터 SOFC용 연료를 제조하는 개질기는 CO저감장치를 생략하고 간단하게 설계될 수 있다. 이러한 특성은 SOFC와 개질기의 통합을 가능하게 한다.
현재 연구진행중인 SOFC는 전기를 생산하는데 필요한 원료를 제조하여 연료전지에 공급하기 위해 연료전지 외부에서 작동하는 개질기를 사용하고 있다. 이러한 SOFC와 개질기가 별도로 구성된 구조는 휴대성을 저해하고 SOFC와 개질기가 작동하는데 필요한 열에너지를 각각 따로 공급하기에 그로 인한 에너지 손실이 크다. 휴대가 어렵고 에너지 효율이 작은 현재의 연료전지 시스템을 개선시킬 수 있는 개념은 연료전지와 개질기를 통합한 개질기 일체형 SOFC 구조 이다.
개질기 일체형 SOFC는 개질기가 연료전지의 몸체의 일부가 되어 공급된 반응물로부터 개질반응을 일으키고 이를 통해 제조된 수소와 일산화탄소가 다른 통로를 통해 공급된 산소와 만나 전기를 생산하도록 설계된다. 이러한 구조는 개질기 일체형 SOFC가 수많은 feed 통로를 가진 벌집모양의 형태를 띄게 한다.
벌집모양의 SOFC에서 가장 문제가 되는 점은 반응기의 제작과정 중 많은 양이 결함으로 버려지는 것이다. SOFC는 세라믹을 반죽하여 틀을 짜고 굳혀 여러 차례 고온에 구워 제작한다. 세라믹으로 반죽하여 틀을 떠놓은 처음의 반응기는 고온환경이 수차례 반복되는 과정에서 그 크기가 상당한 수준으로 감소된다. 이 과정에서 많은 경우 벌집구조의 벽이 무너져 내려 반응기 제작이 어렵게 된다.
본 발명은 소형의 효율이 향상된 고체 산화물 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연료기체가 주입되는 연료채널과 산소가 주입되는 산소채널이 형성되며, 상기 연료기체로부터 수소를 발생시키는 다공성 개질기; 상기 산소채널의 내주면에 형성되는 애노드; 상기 애노드 상에 형성되는 고체 전해질층; 상기 전해질층 상에 형성되는 캐소드를 포함하는 고체 산화물 연료전지가 제공된다.
여기서, 상기 다공성 개질기는 일면에 상기 연료채널을 형성하도록 제1 연료채널홈이 형성되는 제1 블록; 상기 제1 연료채널홈과 대향하는 제2 연료채널홈이 일면에 형성되며, 상기 산소채널을 형성하도록 제1 산소채널홈이 타면에 형성되는 제2 블록; 일면에 상기 제1 산소채널홈과 대향하는 제2 산소채널홈이 형성되는 제3 블록을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 블록, 제2 블록 및 제3 블록의 서로 대향하는 면에는 조립홈과, 상기 조립홈에 삽입되는 조립돌기가 각각 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 연료채널홈은 상기 제1 블록의 일면에 복수 개가 나란히 형성되며, 상기 제1 산소채널홈은 상기 제2 블록의 타면에 복수 개가 나란히 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 연료채널홈과 상기 제1 산소채널홈은 서로 직교하여 배치될 수 있다.
그리고, 상기 제1 블록, 상기 제2 블록 및 상기 제3 블록은 반복적으로 적층될 수 있으며, 이 때, 상기 제3 블록의 타면에 제3 연료채널홈이 형성되며 상기 제3 블록의 하측에 상기 제2 블록이 적층될 수 있다. 그리고, 상기 고체 전해질층은 이트리아 안정화 지르코니아(yittria stabilized zirconia)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 다공성 개질기의 산소채널 내부에 애노드, 캐소드 및 고체 전해질층의 결합구조가 형성되는 일체형 구조를 가지게 되어, 개질반응과 전기화학 반응에 필요한 에너지를 감소시켜 효율의 증대와 구조적 소형화를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체 산화물 연료전지를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체 산화물 연료전지를 나타낸 분해사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체 산화물 연료전지의 반응을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체 산화물 연료전지의 산소채널을 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지를 나타낸 사시도.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지를 나타낸 사시도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 고체 산화물 연료전지의 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체 산화물 연료전지(1000)를 나타낸 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 고체 산화물 연료전지(1000)는 다공성 개질기(100), 연료채널(200), 산소채널(300), 애노드(도 3, 4의 422, 432), 캐소드(도 3, 4의 426, 436) 및 고체 전해질층(도 3, 4의 424, 434)을 포함할 수 있다.
다공성 개질기(100)는 Ni촉매를 포함하여 연료기체로부터 수소를 발생시킬 수 있다. 다공성 개질기(100)는 다공성 재질로 이루어질 수 있어, 그로 인해 그 내부에서 기체의 함유 또는 유동이 가능할 수 있다. 다공성 개질기(100)는 예를 들어, YSZ(Yttria-stabilized zirconia), LSGM(Lanthanum strontium magnesium galate perovskite), CRO 등과 같은 재질로 이루어질 수 있다.
다공성 개질기(100)는 연료채널(200)과 산소채널(300)을 포함할 수 있다. 연료채널(200)은 연료기체가 유동될 수 있는 통로로서, 다공성 개질기(100)를 관통하는 실린더 형상의 유로일 수 있다. 연료채널(200)은 다공성 개질기(100)에 복수 개가 형성될 수 있으며, 복수의 연료채널(200)은 서로 나란히 배치될 수 있다.
연료채널(200)과 인접하여 산소채널(300)이 형성될 수 있다. 산소채널(300)은 산소가 유동될 수 있는 통로로서, 다공성 개질기(100)를 관통하는 실린더 형상의 유로일 수 있다. 산소채널(300)은 복수 개가 형성될 수 있으며, 복수의 산소채널(300)은 서로 나란히 배치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체 산화물 연료전지(1000)를 나타낸 분해 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 다공성 개질기(100)는 제1 블록(110), 제2 블록(120) 및 제3 블록(130)을 포함할 수 있다.
제1 블록(110)은 다공성 개질기(100)의 상부를 이룰 수 있으며, 그 하면에 제1 연료채널홈(112)이 형성될 수 있다. 제1 연료채널홈(112)은 복수 개가 나란히 형성될 수 있다.
제2 블록(120)은 다공성 개질기(100)의 중앙부를 이룰 수 있으며, 그 상면에는 제2 연료채널홈(122)이 형성될 수 있으며, 그 하면에는 제1 산소채널홈(124)이 형성될 수 있다. 제2 연료채널홈(122)은 제1 연료채널홈(112)과 대향하는 위치에 형성될 수 있으며, 제1 연료채널홈(112)과 제2 연료채널홈(122)이 서로 결합되어 연료채널(200)을 형성할 수 있다.
제3 블록(130)은 다공성 개질기(100)의 하부를 이룰 수 있으며, 그 일면에 제2 산소채널홈(132)이 형성될 수 있다. 제2 산소채널홈(132)은 제1 산소채널홈(124)과 대향하는 위치에 형성될 수 있으며, 제1 산소채널홈(124)과 결합되어 산소채널(300)을 형성할 수 있다.
종래 벌집형 고체 산화물 연료전지는, 그 반응기 유로가 절반으로 나누지는 형태의 단일 블록 자체 가스유동구조를 형성하였으나, 그 제작 과정에서 각 부위의 수축 속도의 차이로 인해 벌집 구조의 얇은 벽이 무너지는 문제가 있었다.
그러나, 본 실시예의 고체 산화물 연료전지(1000)는 상술한 바와 같이, 다공성 개질기(100)의 제1 블록(110), 제2 블록(120) 및 제3 블록(130)의 결합에 의한 연료채널(200)과 산소채널(300)의 형성구조로 가지게 되어, 벌집 구조로 인한 종래의 제조 상의 문제를 해결할 수 있다.
제1 블록(110)의 하면의 양측에는 조립홈(111)이 형성될 수 있다. 조립홈(111)은 제1 연료채널(200)홈과 나란히 형성될 수 있다.
제2 블록(120)의 상면의 양측에는 제1 블록(110)의 조립홈(111)과 대향하는 위치에 조립돌기(121)가 형성될 수 있다. 제2 블록(120)의 조립돌기(121)는 제1 블록(110)의 조립홈(111)에 삽입될 수 있으며, 제1 블록(110)과 제2 블록(120) 간의 조립성을 향상시키고, 제1 블록(110)과 제2 블록(120) 간의 틈에서 연료기체의 누설을 방지할 수 있다.
제2 블록(120)의 하면에는, 그 상면의 조립돌기(121)와 동일한 위치에 조립홈(123)이 형성될 수 있다.
제3 블록(130)의 상면에는, 제2 블록(120)의 하면의 조립홈(123)과 대향하는 위치에 조립돌기(131)가 형성될 수 있다. 제2 블록(120)의 조립홈(123)에 제3 블록(130)의 조립돌기(131)가 삽입되어, 제2 블록(120)과 제3 블록(130) 간의 조립성을 향상시키고, 이들 간의 산소의 누설을 방지할 수 있다.
한편, 상술한 조립돌기(121, 131)와 조립홈(111, 123)은 제1 블록(110), 제2 블록(120) 및 제3 블록(130)의 서로 대향하는 면의 동일한 위치에 형성되는 한 쌍의 조립구조로서, 조립돌기(121, 131)와 조립홈(111, 123)은 대향하는 한 쌍의 구조가 유지되는 범위 내에서 그 위치관계가 변화될 수 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체 산화물 연료전지(1000)의 반응을 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 연료채널(200)을 통해 연료기체가 공급될 수 있다. 연료기체는 탄화수소를 포함하는 기체일 수 있으며, 예를 들어 메탄(CH4) 또는 메탄과 산소(O2)의 혼합물일 수 있다.
연료채널(200)에 유입된 연료기체는 다공성 개질기(100)의 내부로 유입될 수 있으며, 이 과정에서 수소가 발생될 수 있다. 발생된 수소는 다공성 개질기(100) 내부의 다공성 구조에 의해 산소채널(300)의 애노드(422, 432) 측으로 유동되어 애노드(422, 432)와 접촉할 수 있다. 산소채널(300)을 통해 산소가 유입될 수 있으며, 산소채널(300)에 유입된 산소는 캐소드(426, 436)와 접촉할 수 있다.
산소채널(300)의 내주면에는 애노드(422, 432)가 형성될 수 있으며, 애노드 (422, 432)상에는 고체 전해질층(424, 434)이 형성될 수 있다. 그리고, 고체 전해질층(424, 434) 상에는 캐소드(426, 436)가 형성될 수 있다. 즉, 산소채널(300)의 내주면에는 애노드(422, 432)와 캐소드(426, 436) 사이에 고체 전해질층(424, 434)이 개재되는 적층구조가 형성될 수 있다.
캐소드(426, 436)는 산소의 확산이 용이한 다공성 구조를 가질 수 있으며, 전자 및 산소이온 전도성이 우수한 재질로 이루어질 수 있다. 캐소드(426, 436)는 예를 들어, Pt-SSZ,　Pt-Ag-SSZ, (Sm0.6Sr0.4)CoO3-CYO-Ag, (La0.2Sr0.2)CoO3-CGO-Ag,　LSM, Au와 같은 재질로 이루어질 수 있다.
애노드(422, 432)는 수소의 확산이 용이한 다공성 구조를 가질 수 있으며, 전자 및 이온전도성이 좋은 재질로 이루어질 수 있다. 애노드(422, 432)는 예를 들어 Ni-YSZ,　Ni-SDC,　Ni-Ce0.8Gd0.2O1.9,　Ni-Ce0.8Sm0.2O2와 같은 재질로 이루어질 수 있다.
그리고, 고체 전해질층(424, 434)은 산소이온의 전도성이 크며, 산소와 수소를 물리적으로 격리시킬 수 있는 재료로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 이트리아 안정화 지르코니아(yittria stabilized zirconia), LSGM(Lanthanum strontium magnesium galate perovskite), CRO 등이 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체 산화물 연료전지(1000)의 산소채널(300)을 나타낸 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 산소채널(300)의 내측으로 산소가 공급되고, 그 외측으로 수소가 공급되면, 고체 산화물 연료전지(1000)는 애노드(422, 432), 고체 전해질층(424, 434) 및 캐소드(426, 436)의 적층체에서 전기화학적 산화환원 반응에 의해 전류를 발생시키게 된다.
이와 같이, 본 실시예의 고체 산화물 연료전지(1000)는 다공성 개질기(100)의 산소채널(300) 내부에 애노드(422, 432), 캐소드(426, 436) 및 고체 전해질층(424, 434)의 결합구조가 형성되는 일체형 구조를 가지게 되어, 개질반응과 전기화학 반응에 필요한 에너지를 감소시켜 효율의 증대를 기대할 수 있다. 그리고, 이러한 구조는 고체 산화물 연료전지(1000)의 소형화를 꾀할 수 있는 장점이 있다.
한편, 고체 산화물 연료전지(1000)는 단순한 블록 적층 구조를 가짐으로 인해, 제1 블록 내지 제3 블록(110, 120, 130)의 반복 적층을 통해 용이하게 그 용량을 확장할 수 있는 장점을 가지게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지(2000)를 나타낸 사시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 블록(110), 제2 블록(120) 및 제3 블록(130)은 필요한 전압(또는 용량)을 발생시킬 수 있도록 반복적으로 적층될 수 있다.
제1 블록 내지 제3 블록(110, 120, 130)이 반복 적층됨으로써, 연료채널(200, 200')과 산소채널(300, 300')이 상하로 순차적으로 배치될 수 있다.
이 때, 각각의 블록은 제1 블록 (110), 제2 블록 (120), 제3 블록 (130), 제2 블록 (120) 및 제3 블록 (130)의 순서로 적층될 수 있다. 그리고, 중앙에 배치되는 제3 블록 (130)의 저면(그 하측에 배치되는 제2 블록 (120)과 접하는 면)에는 제3 연료채널홈(112')이 형성될 수 있다. 이 제3 연료채널홈(112')은 제2 블록(120)의 상면의 제2 연료채널홈(122')과 대향하여 연료채널(200')을 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지(3000)를 나타낸 사시도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 연료채널(200)과 산소채널(300)을 서로 직교하여 배치될 수 있다. 이 때, 제1 블록(110)과 제2 블록(120) 사이에 형성되는 조립홈(111) 및 조립돌기(121)가 형성될 수 있으며, 제2 블록(120)과 제3 블록(130)의 사이에는 상술한 조립홈(111) 및 조립돌기(121)와 직교하는 조립홈(123) 및 조립돌기(131)가 형성될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
100: 다공성 개질기 110: 제1 블록
120: 제2 블록 130: 제3 블록
200: 연료채널 300: 산소채널
422, 432: 애노드 424, 434: 고체 전해질층
426, 436: 캐소드

Claims (8)

  1. 연료기체가 주입되는 연료채널과 산소가 주입되는 산소채널이 형성되며, 상기 연료기체로부터 수소를 발생시키는 다공성 개질기;
    상기 산소채널의 내주면에 형성되는 애노드;
    상기 애노드 상에 형성되는 고체 전해질층; 및
    상기 전해질층 상에 형성되는 캐소드를 포함하는 고체 산화물 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 개질기는
    일면에 상기 연료채널을 형성하도록 제1 연료채널홈이 형성되는 제1 블록;
    상기 제1 연료채널홈과 대향하는 제2 연료채널홈이 일면에 형성되며, 상기 산소채널을 형성하도록 제1 산소채널홈이 타면에 형성되는 제2 블록;
    일면에 상기 제1 산소채널홈과 대향하는 제2 산소채널홈이 형성되는 제3 블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 블록, 제2 블록 및 제3 블록의 서로 대향하는 면에는 조립홈과, 상기 조립홈에 삽입되는 조립돌기가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 연료채널홈은 상기 제1 블록의 일면에 복수 개가 나란히 형성되며,
    상기 제1 산소채널홈은 상기 제2 블록의 타면에 복수 개가 나란히 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 연료채널홈과 상기 제1 산소채널홈은 서로 직교하여 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 블록, 상기 제2 블록 및 상기 제3 블록은 반복적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3 블록의 타면에 제3 연료채널홈이 형성되며,
    상기 제3 블록의 하측에 상기 제2 블록이 적층되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고체 전해질층은 이트리아 안정화 지르코니아(yittria stabilized zirconia)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지.
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