KR101180157B1 - Apparatus for treating of poor unit cell of solid oxide fuel cell and method for installating the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 평판형 고체 산화물 연료전지의 불량 단위전지를 효과적으로 처리할 수 있는 장치 및 이를 설치하는 방법에 관한 것으로서, 불량 단위전지의 상부 분리판과 하부 분리판 사이의 매니폴드에 설치되어 상기 불량 단위전지로의 연료 공급을 차단하는 차단부;
및 상기 차단부의 외주면에 연장 형성되며, 상면 및 하면이 각각 상부 분리판 및 하부 분리판 사이에 삽입되어 접촉하는 접촉부를 포함하는 고체 산화물 연료전지의 불량 단위전지 처리장치와 이를 설치하는 방법을 제공한다.The present invention relates to an apparatus and a method for installing the same, which can effectively process a defective unit cell of a flat solid oxide fuel cell, and is installed in a manifold between an upper separator plate and a lower separator plate of the defective unit cell. Blocking unit for blocking the fuel supply to the cell;
And a contact unit extending from an outer circumferential surface of the blocking unit, the upper and lower surfaces of the blocking unit being inserted into and contacting the upper and lower separators, respectively, and a method for installing the defective unit cell processing device of the solid oxide fuel cell. .

Figure R1020100136654
Figure R1020100136654

Description

고체 산화물 연료전지의 불량 단위전지 처리장치 및 이의 설치 방법{APPARATUS FOR TREATING OF POOR UNIT CELL OF SOLID OXIDE FUEL CELL AND METHOD FOR INSTALLATING THE SAME}Apparatus for treating bad unit cell of solid oxide fuel cell and installation method thereof

본 발명은 평판형 고체 산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)의 불량 단위전지를 처리할 수 있는 장치 및 이를 설치하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a device capable of processing a defective unit cell of a solid oxide fuel cell (SOFC) and a method of installing the same.

연료전지는 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지(Cell)로 정의되며, 산화물 전해질을 통해 산화제(예를 들어, 산소)와 기상 연료(예를 들어, 수소)를 전기화학적으로 반응시킴으로써, 직류 전기를 생산하는 에너지 전환 장치로써, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 특징을 갖는다.
A fuel cell is defined as a cell that has the ability to produce direct current by converting the chemical energy of fuel (hydrogen) directly into electrical energy, and through the oxide electrolyte, oxidant (eg oxygen) and gaseous fuel (eg For example, hydrogen) is an energy conversion device for producing direct current electricity by electrochemically reacting, and unlike the conventional battery, has a characteristic of continuously producing electricity by supplying fuel and air from the outside.

연료전지의 종류로는 고온에서 작동하는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 및 비교적 낮은 온도에서 작동하는 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC), 고분자전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cells, DEMFC) 등이 있다.
Fuel cell types include molten carbonate fuel cells (MCFCs), solid oxide fuel cells (SOFCs) operating at high temperatures, and phosphoric acid fuel cells operating at relatively low temperatures. Cell, PAFC), Alkaline Fuel Cell (AFC), Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), Direct Methanol Fuel Cells (DEMFC).

이 중 평판형 고체산화물 연료전지는 고성능의 깨끗하고 효율적인 전원이 될 수 있는 잠재력을 가지며, 다양한 전력 발생 용도로서 개발되고 있다. 고체산화물 연료전지는 공기극(cathod)과 연료극(anode) 및 전해질(electrolyte)로 구성되는 단위전지(cell)의 다층 구조물(stack)로 형성된다. 통상적인 고체산화물 연료전지의 단위전지는, 전해질로서 이트리아 안정화된 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, YSZ)가 사용되고, 공기극으로는 스트론튬 도핑된 란탄 망가나이트(Lanthanum Strontium Manganite, LSM)(예를 들어, La0.8Sr0.2MnO3)가 사용되고, 연료극으로는 니켈 옥사이드(Nickel Oxide, NiO)와 YSZ가 혼합된 서메트(cermet)(NiO/YSZ)가 사용된다.
Among them, the planar solid oxide fuel cell has the potential to be a high performance, clean and efficient power source, and is being developed for various power generation applications. The solid oxide fuel cell is formed of a multilayer stack of unit cells composed of a cathode, an anode, and an electrolyte. As a unit cell of a conventional solid oxide fuel cell, Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) is used as an electrolyte, and strontium-doped Lanthanum Strontium Manganite (LSM) (for example, La0) is used as an air electrode. .8Sr0.2MnO3) is used, and cermet (NiO / YSZ) in which nickel oxide (NiO) and YSZ are mixed is used as a fuel electrode.

상기 단위전지의 다층 구조물(스택, stack)을 형성하기 위해서, 단위전지와 단위전지 사이에 분리판을 포함하여, 이웃한 단위전지들을 물리적으로 분리시키고, 단위 전지를 향한 일면에 수소 또는 산소를 공급하기 위한 채널을 하고, 도전성 소재로 제조되어 어느 한 단위전지의 공기극과 이웃한 단위전지의 연료극을 직렬로 연결시킨다.
In order to form a multi-layer structure (stack, stack) of the unit cell, including a separator plate between the unit cell and the unit cell, physically separate neighboring unit cells, supply hydrogen or oxygen to one side toward the unit cell It is made of a conductive material and is made of a conductive material to connect the cathode of one unit cell and the anode of a neighboring unit cell in series.

평판형 고체 산화물 연료전지, 특히 고적층 연료전지의 경우에는 적층물(스택) 내부의 각 단위전지의 성능 편차가 있을 뿐만 아니라, 구성요소의 여러가지 요인에 의하여 성능이 특별히 떨어지는 불량 단위전지(poor unit cell)이 나타나게 된다. 특히, 단위전지의 균열 등에 의해 연료와 공기의 크로스오버(crossover)가 발생하는 경우, 해당 단위전지의 성능 저하 뿐만 아니라, 연소과정에서 발생한 열로 상하부의 다른 단위전지에까지 악영향을 미치게 되고, 전체 고체 산화물 연료전지의 성능을 저하시키는 요인이 된다.
In the case of flat solid oxide fuel cells, in particular, a highly stacked fuel cell, there are not only performance deviations of the unit cells in the stack (stack) but also poor performance of the unit due to various factors. cell) will appear. In particular, when crossover of fuel and air occurs due to cracking of a unit cell, not only the performance of the unit cell is lowered, but also the heat generated during the combustion process adversely affects other unit cells in the upper and lower parts, and the entire solid oxide. It is a factor that lowers the performance of the fuel cell.

기존의 평판형 고체 산화물 연료전지의 적층물(스택)은 대부분 유리 밀봉재를 사용하여 각 단위전지끼리 강한 접착이 이루어져, 적층물의 중간에 있는 불량 단위전지의 제거 자체가 불가능하여, 안정적인 전지 성능을 확보하는데 걸림돌이 되고 있다.
Most laminates (stacks) of conventional solid-state solid-state fuel cells use glass seals, and each unit cell is strongly bonded to each other, and thus it is impossible to remove the defective unit cell in the middle of the stack, thereby ensuring stable battery performance. It is becoming an obstacle.

본 발명의 일측면은 평판형 고체 산화물 연료전지의 불량 단위전지를 효과적으로 처리할 수 있는 장치 및 이를 이용하여 연료전지의 전체 성능 감소를 최소화할 수 있는 설치 방법을 제공하고자 하는 것이다.
One aspect of the present invention is to provide an apparatus capable of effectively treating a defective unit cell of a plate-type solid oxide fuel cell and an installation method that can minimize the overall performance reduction of the fuel cell using the same.

본 발명은 불량 단위전지의 상부 분리판과 하부 분리판 사이의 매니폴드에 설치되어 상기 불량 단위전지로의 연료 공급을 차단하는 차단부; The present invention is installed in the manifold between the upper separator plate and the lower separator plate of the defective unit cell to block the fuel supply to the defective unit cell;

및 상기 차단부의 외주면에 연장 형성되며, 상면 및 하면이 각각 상부 분리판 및 하부 분리판 사이에 삽입되어 접촉하는 접촉부를 포함하는 고체 산화물 연료전지의 불량 단위전지 처리장치를 제공한다.
And a contact portion extending from an outer circumferential surface of the blocking portion, the upper and lower surfaces of the blocking portion being inserted between and contacting the upper and lower separators, respectively.

또한, 본 발명은 상부 분리판 및 하부 분리판 사이의 연료 공급을 차단하는 차단부, 상기 상부 분리판 및 하부 분리판 사이에 삽입되어 접촉하는 접촉부 및 접철가능한 힌지부를 포함하는 일 단위 분할 장치를 매니폴드에 삽입가능하도록 절첩하는 제 1 단계;In addition, the present invention provides a manifold unit including a blocking unit for blocking fuel supply between an upper separator plate and a lower separator plate, a contact portion inserted into and contacting the upper separator plate and the lower separator plate, and a foldable hinge unit. A first step of folding into a fold;

상기 절첩된 일 단위 분할 장치를 매니폴드의 삽입하는 제 2 단계;Inserting the folded unitary dividing device into the manifold;

상기 절첩되어 삽입된 단위 분할 장치를 원상태로 회복하여, 접촉부가 상부 분리판과 하부 분리판의 사이에 삽입되고, 차단부이 연료 공급을 차단할 수 있도록 설치하는 제 3 단계; 및A third step of restoring the folded and inserted unit dividing device to an original state, wherein a contact portion is inserted between the upper separator plate and the lower separator plate, and the cut-off unit is installed to block the fuel supply; And

타 단위 분할 장치를 이용하여 상기 제 1 내지 제 3 단계를 반복하는 단계를 포함하는 고체 산화물 연료전지의 불량 단위전지 처리장치의 설치 방법을 제공한다.
Provided is a method for installing a defective unit cell processing apparatus for a solid oxide fuel cell, comprising repeating the first to third steps using another unit division device.

본 발명에 의하면, 고체 산화물 연료전지 적층구조물(스택)에서 불량 단위전지를 제거하지 않고도, 연료전지의 전체 성능 저하를 최소화하여, 안정적인 성능확보가 가능하다는 장점이 있다.
According to the present invention, it is possible to secure stable performance by minimizing the deterioration of the overall performance of the fuel cell without removing the defective unit cell from the solid oxide fuel cell stack (stack).

도 1은 일반적인 평판형 고체 산화물 연료전지를 나타낸 모식도임
도 2는 본 발명 장치의 사시도임
도 3은 본 발명 장치의 작용을 나타내기 위한 모식도임.
도 4는 본 발명 장치의 일태양을 나타낸 모식도임
도 5 (a) 내지 (f)는 본 발명 장치의 설치를 나타낸 모식도임.
도 6은 본 발명의 장치가 설치된 또다른 일태양을 나타낸 모식도임.1 is a schematic diagram showing a general flat solid oxide fuel cell.
Figure 2 is a perspective view of the device of the present invention
Figure 3 is a schematic diagram for showing the operation of the device of the present invention.
4 is a schematic diagram showing one embodiment of the apparatus of the present invention.
5 (a) to (f) is a schematic diagram showing the installation of the apparatus of the present invention.
Figure 6 is a schematic diagram showing another embodiment in which the apparatus of the present invention is installed.

이하, 본 발명의 장치에 대하여 상세히 설명한다.
EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the apparatus of this invention is demonstrated in detail.

도 1은 일반적인 평판형 고체 산화물 연료전지를 나타낸 것이다. 도 1에 나낸 바와 같이, 평판형 고체 산화물 연료전지는 상, 하부 분리판(110, 120)사이에 단위전지(130)가 구성되고, 상, 하부 분리판(110, 120)에 구비되어 단위전지(130)에 연료를 공급할 수 있는 매니폴드(140)를 구비하여, 상기 분리판(110, 120)과 단위전지(130)의 밀봉을 통해, 전체 고체 산화물 연료전지 적층 구조물이 형성된다.1 illustrates a general flat plate type solid oxide fuel cell. As shown in FIG. 1, in the planar solid oxide fuel cell, a unit cell 130 is formed between upper and lower separators 110 and 120, and a unit cell is provided in upper and lower separators 110 and 120. With a manifold 140 capable of supplying fuel to 130, the entire solid oxide fuel cell stack structure is formed by sealing the separators 110 and 120 and the unit cell 130.

이러한 고체 산화물 연료전지에 있어서, 일부 단위전지에 불량이 발생되면 이를 적절히 제거하거나 처리할 수 있는 방법이 절실히 요구된다.
In such a solid oxide fuel cell, when a defect occurs in some unit cells, a method for properly removing or treating the unit cell is urgently required.

본 발명은 이러한 불량 단위전지를 처리할 수 있는 장치를 제공한다. 본 발명에서는 매니폴드를 통해 유입되는 연료를 차단할 수 있는 불량 단위전지 처리장치를 제공한다. 본 발명에서 공기극 유동을 차단할 수 있음에도, 연료극의 유동을 차단하는 이유는 연료극만 차단하더라도, 크로스오버(crossover)에 의한 공기와 연료의 반응을 막을 수 있고, 상기 장치의 재질이 주로 금속이므로, 산소에 의한 산화가 발생되는 것을 방지할 수 있으며, 공기극보다는 연료극의 연료 유량이 상대적으로 적어 차단이 용이하기 때문이다.
The present invention provides an apparatus capable of treating such a defective unit cell. The present invention provides a defective unit cell processing apparatus capable of cutting off fuel flowing through a manifold. Although the cathode flow can be blocked in the present invention, the reason for blocking the flow of the anode is that even if only the anode is blocked, the reaction between the air and the fuel due to the crossover can be prevented, and since the material of the device is mainly metal, oxygen This can be prevented from being caused by oxidation, and the fuel flow rate of the anode is relatively smaller than that of the cathode, so that it is easy to shut off.

이하, 상기 장치에 대하여 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 이해를 위한 것으로, 상기 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the apparatus will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The accompanying drawings are for the purpose of understanding the invention, and the invention is not limited by the drawings.

도 2에 나타난 바와 같이, 상기 장치는 고체 산화물 연료전지의 매니폴드 홀에서 단위전지로 연료 유입을 차단할 수 있는 차단부(201)와, 상기 차단부의 연장선의 외부면에 연장 형성되며, 상면과 하면이 각각 상부 분리판의 저면 및 하부 분리판의 상면과 접촉하는 접촉부(202)로 형성되는 것이 바람직하다.
As shown in FIG. 2, the apparatus includes a blocking unit 201 capable of blocking fuel inflow from the manifold hole of the solid oxide fuel cell to the unit cell and an outer surface of the extension line of the blocking unit. Each of the contact portions 202 is preferably formed in contact with the bottom surface of the upper separation plate and the upper surface of the lower separation plate.

상기 장치는 도 3에 나타난 바와 같이, 상부 분리판 및 하부 분리판 사이에 형성된 매니폴드(340)를 빠져나가는 연료 중 상부 분리판(310)과 하부 분리판(320)의 사이로 빠져나가는 연료를 상기 차단부(301)이 차단함으로서, 연료의 유입을 차단하여, 불량 단위전지의 작동을 정지시키는 역할을 한다. 또한, 상기 접촉부(302)에 의해서, 상부 분리판과 하부 분리판이 전지적으로 연결되도록 하는 역할을 함께 수행한다.
As shown in FIG. 3, the apparatus includes the fuel exiting between the upper separation plate 310 and the lower separation plate 320 among the fuel exiting the manifold 340 formed between the upper separation plate and the lower separation plate. By blocking the blocking unit 301, the inflow of fuel is blocked, and serves to stop the operation of the defective unit cell. In addition, by the contact portion 302, the upper separator and the lower separator serves to connect the battery together.

한편, 도 4의 (a) 및 (b)에 나타난 바와 같이, 상기 장치는 2 이상으로 분할된 다분할 구조를 이루고, 분할된 각각을 단위 분할 장치라 하고, 각 단위 분할 장치를 조립함으로써, 하나의 완전한 형태를 이룬다. 또한, 각 단위 분할 구조는 절첩이 가능하도록 힌지부(403)를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 힌지부(403)는 후술하는 바와 같이, 본 발명의 장치를 매니폴드에 설치하는 경우에 설치가 용이하도록 하는 역할을 한다.
On the other hand, as shown in (a) and (b) of Fig. 4, the apparatus has a multi-division structure divided into two or more, each divided is referred to as a unit dividing device, by assembling each unit dividing device, Complete form. In addition, it is preferable that each unit division structure includes the hinge part 403 so that folding is possible. The hinge portion 403 serves to facilitate installation when the device of the present invention is installed in the manifold, as described below.

이하, 도 5 및 6을 참고하여 본 발명의 설치 방법에 대하여 상세히 설명한다. 상기 도 5 및 6은 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 이에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the installation method of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 5 and 6. 5 and 6 are merely for understanding the present invention, but the present invention is not limited thereto.

도 5에 나타난 바와 같이, 차단부(501), 접촉부(502) 및 힌지부(503)를 포함하는 단위 분할 장치(550)를 매니폴드(540)에 삽입 가능하도록 절첩한다(도 5(b)).
As shown in FIG. 5, the unit dividing device 550 including the blocking portion 501, the contact portion 502, and the hinge portion 503 is folded to be inserted into the manifold 540 (FIG. 5B). ).

상기 절첩된 일 단위 분할 장치(550)를 매니폴드(540)에 삽입한다(도 5(c)).
The folded unit dividing device 550 is inserted into the manifold 540 (FIG. 5C).

삽입된 일 단위 분할 장치(550)를 원상태로 회복하여, 접촉부(502)의 상면이 상부 분리판의 저면과 접촉하고, 하면이 하부 분리판의 상면과 접촉되도록, 상부 분리판과 하부 분리판 사이에 삽입되고, 차단부(501)이 연료 공급을 차단할 수 있도록 설치한다(도 5(d)).
The inserted unit dividing device 550 is restored to its original state, so that the upper surface of the contact portion 502 is in contact with the bottom surface of the upper separation plate, and the lower surface is in contact with the upper surface of the lower separation plate, between the upper separation plate and the lower separation plate. It is inserted into, and the blocking unit 501 is installed so as to cut off the fuel supply (Fig. 5 (d)).

일 단위 분할 장치(550)를 설치한 후 타 단위 분할 장치(550')를 상기와 같은 방식으로 매니폴드(540)에 설치하여, 연료의 유입을 차단한다(도 5(e)).
After installing the unit dividing unit 550, the other unit dividing unit 550 ′ is installed in the manifold 540 in the same manner as described above to block the inflow of fuel (FIG. 5E).

한편, 도 6에 나타난 바와 같이, 상 하부 분리판과의 밀봉성능을 향상시키기위해서, 차단부과 접촉하도록 금속링(604)을 설치하거나, 금속 코팅을 행하는 것이 보다 바람직하다.
On the other hand, as shown in Figure 6, in order to improve the sealing performance with the upper and lower separator, it is more preferable to install a metal ring 604 or to perform a metal coating in contact with the blocking portion.

110, 310.....상부 분리판
120, 320.....하부 분리판
130.....단위 전지
140, 340, 540.....매니폴드
450, 550, 550', 650.....단위 분할 장치
201, 301, 401, 501, 601.....차단부
202, 302, 402, 502, 602.....접촉부
403, 503, 603.....힌지부
604.....금속링110, 310 ..... top separator
120, 320 ..... lower divider
130 ..... unit battery
140, 340, 540 .... Manifold
450, 550, 550 ', 650 ..... unit splitting unit
201, 301, 401, 501, 601 ..... block
202, 302, 402, 502, 602 ..... contact
403, 503, 603 ..... Hinge section
604 ..... metal ring

Claims (4)

불량 단위전지의 상부 분리판과 하부 분리판 사이의 매니폴드에 설치되어 상기 불량 단위전지로의 연료 공급을 차단하는 차단부;
및 상기 차단부의 외주면에 연장 형성되며, 상면 및 하면이 각각 상부 분리판 및 하부 분리판 사이에 삽입되어 접촉하는 접촉부를 포함하는 고체 산화물 연료전지의 불량 단위전지 처리장치.
A blocking unit installed in a manifold between an upper separator plate and a lower separator plate of the defective unit cell to block fuel supply to the defective unit cell;
And a contact portion extending from an outer circumferential surface of the blocking portion and having upper and lower surfaces inserted into and contacting the upper and lower separators, respectively.
청구항 1에 있어서,
상기 차단부 및 접촉부는 2개 이상의 단위 분할 장치로 분할된 다분할 구조이고, 상기 단위 분할 장치는 절첩가능한 힌지부를 포함하는 고체 산화물 연료전지의 불량 단위전지 처리장치.
The method according to claim 1,
The blocking unit and the contact unit is a multi-division structure divided into two or more unit dividing apparatus, wherein the unit dividing apparatus includes a foldable hinge unit.
상부 분리판 및 하부 분리판 사이의 연료 공급을 차단하는 차단부, 상기 상부 분리판 및 하부 분리판 사이에 삽입되어 접촉하는 접촉부 및 접철가능한 힌지부를 포함하는 일 단위 분할 장치를 매니폴드에 삽입가능하도록 절첩하는 제 1 단계;
상기 절첩된 일 단위 분할 장치를 매니폴드의 삽입하는 제 2 단계;
상기 절첩되어 삽입된 단위 분할 장치를 원상태로 회복하여, 접촉부가 상부 분리판과 하부 분리판의 사이에 삽입되고, 차단부이 연료 공급을 차단할 수 있도록 설치하는 제 3 단계; 및
타 단위 분할 장치를 이용하여 상기 제 1 내지 제 3 단계를 반복하는 단계
를 포함하는 고체 산화물 연료전지의 불량 단위전지 처리장치의 설치 방법.
To insert into the manifold a unit splitting device comprising a blocking portion for blocking fuel supply between the upper separator plate and the lower separator plate, a contact portion inserted between and in contact with the upper separator plate and the lower separator plate and a foldable hinge portion; Folding first step;
Inserting the folded unitary dividing device into the manifold;
A third step of restoring the folded and inserted unit dividing device to an original state, wherein a contact portion is inserted between the upper separator plate and the lower separator plate, and the cut-off unit is installed to block the fuel supply; And
Repeating the first to third steps using another unit dividing apparatus
Method for installing a defective unit cell processing apparatus for a solid oxide fuel cell comprising a.
청구항 3에 있어서,
상기 처리장치를 설치한 후, 상기 차단부에 접촉하도록 금속링을 설치하거나 금속 코팅을 행하는 단계를 포함하는 고체 산화물 연료전지의 불량 단위전지 처리장치의 설치 방법.
The method according to claim 3,
And installing a metal ring or performing a metal coating to contact the blocking unit after installing the processing apparatus.
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