KR101278316B1 - 고체산화물 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 고체산화물 연료 전지에 관한 것으로서, 단위전지; 제1면 및 제2면을 갖는 평판형으로 형성되며 제1면이 단위전지를 수용할 수 있도록 두께 방향으로 형성된 홈을 포함하는 집전체; 및 집전체의 제1면과 제2면 사이에 형성된 원형의 지지부재;를 포함하고, 지지부재는 복수 개이며 영역별로 각각의 지지부재의 직경이 상이한 것을 특징으로 한다.

Description

고체산화물 연료 전지{Solid Oxide Fuel Cell}
본 발명은 고체산화물 연료 전지에 관한 것이다.
신재생 에너지 문제가 국가적, 사회적으로 큰 이슈가 되고 있어, 그 중 하나인 연료전지는 석유, LNG, LPG 연료뿐만 아니라 수소 등의 대체 에너지원으로부터 전기 등 에너지를 발생시킬 수 있어 관심이 고조되고 있다.
연료의 화학에너지를 전기 화학 반응에 의하여 직접 전기 에너지로 변환시키는 연료 전지의 다양한 방식 중에서도 이론적인 효율이 높고, 다양한 연료를 개질기 없이 사용 가능한 장점이 있는 고체산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)(문헌 1)는 다양한 분야에서 가정용 혹은 발전용으로 상용화를 위해 활발한 연구가 진행되고 있는 실정이다.
하지만 고체산화물 연료 전지(SOFC)는 800℃ 정도의 고온에서 작동하기 때문에 내구성을 지닌 적합한 재료의 개발이나 안정적으로 높은 출력을 낼 수 있는 구조에 대한 문제, 열 및 물관리, 전력 변환, 제어, 시스템 운전 등 해결해야 될 기술적인 과제뿐 아니라 비용 측면에서도 저가의 재료나 구조를 해결해야 하는 문제점이 존재한다.
[문헌 1] KR 10-1055539 B 2011. 8. 2
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 단위전지 집전 시 집전저항을 개선할 수 있는 고체산화물 연료 전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 의한 고체산화물 연료 전지는, 단위전지;
제1면 및 제2면을 갖는 평판형으로 형성되며 상기 제1면이 상기 단위전지를 수용할 수 있도록 두께 방향으로 형성된 홈을 포함하는 집전체; 및
상기 집전체의 상기 제1면과 상기 제2면 사이에 형성된 원형의 지지부재;
를 포함하고, 상기 지지부재는 복수 개이며 영역별로 각각의 지지부재의 직경이 상이할 수 있다.
여기에서, 상기 지지부재는 메시(Mesh) 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 지지부재는 플렉서블(Flexible) 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 지지부재는 금속 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 금속 재질은 SUS, Crofer, ZMG 또는 Ni을 포함할 수 있다.
또한, 상기 지지부재는 은 또는 전도성 세라믹 재질로 이루어진 코팅층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 홈은 상기 단위전지의 일부를 감싸는 형태일 수 있다.
또한, 상기 집전체의 제1면은 메시(Mesh) 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 고체산화물 연료 전지는 원통형일 수 있다.
또한, 상기 단위전지는 제1 전극, 전해질 및 제2 전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 집전체의 제2면은 관통홀이 형성될 수 있다.
다른 본 발명의 실시예에 의한 고체산화물 연료 전지는, 단위전지;
제1면 및 제2면을 갖는 평판형으로 형성되며 상기 제1면이 상기 단위전지를 수용할 수 있도록 두께 방향으로 형성된 홈을 포함하는 집전체; 및
일단은 상기 집전체의 제1면에 연결되고 타단은 상기 제2면에 연결되게 형성된 플레이트형의 지지부재;를 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 지지부재는 플렉서블(Flexible) 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 홈은 상기 단위전지의 일부를 감싸는 형태일 수 있다.
또한, 상기 집전체의 제1면은 메시(Mesh) 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 고체산화물 연료 전지는 원통형일 수 있다.
또한, 상기 단위전지는 제1 전극, 전해질 및 제2 전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 집전체의 제2면은 관통홀이 형성될 수 있다.
또한, 상기 지지부재는 금속 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 지지부재는 은 또는 전도성 세라믹 재질로 이루어진 코팅층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 실시예에 의한 고체산화물 연료 전지는 집전체 내부에 지지부재를 형성함에 따라, 단위전지와 집전체 간의 양호한 접촉 상태를 유지하여, 접촉 저항을 줄일 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 고체산화물 연료 전지는 집전체 내부에 지지부재를 형성함에 따라, 집전된 전류의 경로가 단축되고, 전류가 흐를 수 있는 경로가 다수 형성될 수 있으며, 이로 인해 고체산화물 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 고체산화물 연료 전지의 집전 구조를 간소화함에 따라, 제조 공정 절차 및 제조 비용을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의한 고체산화물 연료 전지의 구성을 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 고체산화물 연료 전지의 구성을 나타내는 단면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
고체산화물 연료 전지-제1 실시예
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의한 고체산화물 연료 전지의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2에서 도시하는 바와 같이, 고체산화물 연료 전지(100)는 단위전지(110), 제1면(120a) 및 제2면(120b)을 갖는 평판형으로 형성되며 제1면(120a)이 단위전지(110)를 수용할 수 있도록 두께 방향으로 형성된 홈을 포함하는 집전체(120) 및 집전체(120)의 제1면(120a)과 제2면(120b) 사이에 형성된 원형의 지지부재(121, 123)를 포함할 수 있다.
상기 고체산화물 연료 전지(100)는 산소이온전해질을 격막으로 하여 한 편에는 탄소나 수소를 포함하는 연료를 흐르게 하고 다른 한 편에는 산소를 흐르게 하는데, 이때 공기 중의 산소가 전해질막을 통해 음극으로 이동함에 따라 연료와 반응하여 이산화탄소 또는 물을 생성하는 것이다. 고체산화물 연료 전지(100)는 상술한 연료의 산화 반응 시 발생하는 화학반응에너지를 전기에너지로 변화시켜 전기를 발생시킨다.
상술한 지지부재(121, 123)는 복수 개이며 영역별로 각각의 지지부재(121, 123)의 직경이 상이할 수 있다.
이는, 지지부재(121, 123)가 집전체(120)의 제1면(120a)과 제2면(120b)에 접촉되도록 형성되는데, 제1면과 제2면의 이격 거리가 영역별로 상이하기 때문에 이에 대응되기 위해서이다.
또한, 지지부재(121, 123)는 금속 재질로 이루어질 수 있다.
상기 금속 재질은 SUS, Crofer, ZMG 또는 Ni을 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
또한, 지지부재(121, 123)는 은(Ag) 또는 전도성 세라믹 재질(MnCo, NiCl, La-Sr-Co 산화물(LSC), La-Sr-Co-Fe 산화물(LSCF) 등)로 이루어진 코팅층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
여기에서, 코팅층은 지지부재(121, 123)가 고온에서도 전도성을 유지할 수 있도록 하는 역할을 수행하는 것이다.
또한, 도 1에서 도시하는 바와 같이, 지지부재(121)는 플렉서블(Flexible) 재질로 이루어질 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 지지부재(121)는 플렉서블 재질로 이루어진 원형 구조로 형성될 수 있는 것이다.
또한, 도 2에서 도시하는 바와 같이, 지지부재(123)는 메시(Mesh) 구조로 형성될 수 있다. 이때, 지지부재(123)는 플렉서블 재질로 이루어진 메시 구조로 형성되는 것도 가능하다.
상술한 지지부재(121, 123)는 플렉서블 재질의 원형 플레이트 구조이거나 또는 원형 메시 구조로 탄성력을 가지게 되어, 집전체(120)에 안착되는 단위전지(110)의 조건(예를 들어, 외형, 무게 등)에 따라 변형이 가능하기 때문에, 집전체(120)가 단위전지(110)에 보다 밀착될 수 있도록 지지하는 역할을 수행하여, 단위전지(110)와 집전체(120) 간의 접촉상태가 양호할 수 있도록 하는 것이다.
이로 인해, 집전체(120)와 단위전지(110) 간의 접촉저항을 줄일 수 있다.
또한, 지지부재(121, 123)는 집전체(120)의 제1면(120a)과 제2면(120b)에 접촉되기 때문에, 집전체(120)에 집전되는 전류를 이동시키는 경로 역할을 수행하는 것이 가능하여 전류 이동 경로의 수를 다수 확보할 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 지지부재(121, 123)는 집전체(120)의 제1면(120a)과 제2면(120b)에 접촉되기 때문에, 전류 이동 경로의 거리를 단축시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 도 1 및 도 2에서 도시하는 바와 같이, 집전체(120)의 제1면(120a)에 해당하는 홈은 단위전지(110)의 일부를 감싸는 형태일 수 있다.
또한, 집전체(120)의 제1면(120a)은 메시(Mesh) 구조로 형성될 수 있다.
이는, 집전체(120)에 결합된 단위전지(110)의 외형에 따라 제1면(120a)이 변형되어 단위전지(110)를 감싸는 형태로 구현되는 것이 가능한 구조이기 때문에, 단위전지(110)와 집전체(120) 간의 접촉면적을 향상시킬 수 있다는 효과를 기대할 수 있는 것이다.
또한 집전체(120)의 제2면(120b)은 관통홀(미도시)이 형성될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
이는, 다수의 단위전지(110)가 결합된 스택 구조에서 공기의 유동을 자유롭게 하기 위한 것으로, 관통홀 이외에도 공기의 유동을 원활하게 하는 형태면 모두 적용 가능하다.
또한, 도 1에서 도시하는 바와 같이, 집전체(120)의 제1면(120a)과 제2면(120b)은 단위전지(110)가 안착되면 서로 접촉될 수 있다.
한편, 고체산화물 연료 전지(100)는 원통형일 수 있다.
이에 따라, 단위전지(110)도 원통형일 수 있다.
도 1 내지 도 2에서 단위전지(110)의 상세한 구성은 생략하였지만, 단위전지(110)는 제1 전극, 전해질 및 제2 전극을 포함할 수 있다.
또한, 고체산화물 연료 전지(100)는 집전체(120)로부터 노출된 단위전지(110)의 영역에 형성된 연결재(130)를 더 포함할 수 있다.
이때, 연결재(130)는 단위전지(110) 중 연료극(미도시)에서 생성한 음전류를 단위전지(110) 외부로 전달하기 위한 구성이다.
고체산화물 연료 전지-제2 실시예
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 고체산화물 연료 전지의 구성을 나타내는 단면도이다.
다만, 제2 실시예에 대한 구성 중 제1 실시예의 구성과 동일한 구성에 대한 설명은 생략하고, 상이한 부분에 대해서만 설명하기로 한다.
도 3에서 도시하는 바와 같이, 고체산화물 연료 전지(100)는 단위전지(110), 제1면(120a) 및 제2면(120b)을 갖는 평판형으로 형성되며 제1면(120a)이 단위전지(110)를 수용할 수 있도록 두께 방향으로 형성된 홈을 포함하는 집전체(120) 및 일단은 집전체(120)의 제1면(120a)에 연결되고 타단은 제2면(120b)에 연결되게 형성된 플레이트형의 지지부재(125)를 포함할 수 있다.
또한, 지지부재(125)는 플렉서블(Flexible) 재질로 이루어질 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 지지부재(125)는 집전체(120)의 제1면(120a)과 제2면(120b)을 연결하는 빗살 무늬 형태이되, 플렉서블 재질로 이루어져 탄성력이 존재할 수 있다.
또한, 지지부재(125)는 금속 재질로 이루어질 수 있다.
상기 금속 재질은 SUS, Crofer, ZMG 또는 Ni을 포함할 수 있다.
또한, 지지부재(125)는 은(Ag) 또는 전도성 세라믹 재질(MnCo, NiCl, La-Sr-Co 산화물(LSC), La-Sr-Co-Fe 산화물(LSCF) 등)로 이루어진 코팅층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
여기에서, 코팅층은 지지부재(125)가 고온에서도 전도성을 유지할 수 있도록 하는 역할을 수행하는 것이다.
또한, 집전체(120)의 제1면(120a)에 해당하는 홈은 단위전지(110)의 일부를 감싸는 형태일 수 있다.
여기에서, 집전체(120)의 제1면(120a)은 메시(Mesh) 구조로 형성될 수 있다.
이는, 집전체(120)에 결합된 단위전지(110)의 외형에 따라 제1면(120a)이 변형되어 단위전지(110)를 감싸는 형태로 구현되는 것이 가능한 구조이기 때문에, 단위전지(110)와 집전체(120) 간의 접촉면적을 향상시킬 수 있다는 효과를 기대할 수 있는 것이다.
또한, 고체산화물 연료 전지(100)는 원통형일 수 있다.
이에 따라, 단위전지(110)도 원통형일 수 있다.
도 1 내지 도 2에서 단위전지(110)의 상세한 구성은 생략하였지만, 단위전지(110)는 제1 전극, 전해질 및 제2 전극을 포함할 수 있다.
또한 집전체(120)의 제2면(120b)은 관통홀(미도시)이 형성될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
이는, 다수의 단위전지(110)가 결합된 스택 구조에서 공기의 유동을 자유롭게 하기 위한 것이다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 고체산화물 연료 전지는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 고체산화물 연료 전지
110 : 단위전지
120 : 집전체
120a : 집전체의 제1면
120b : 집전체의 제2면
121, 123, 125 : 지지부재
130 : 연결재

Claims (20)

  1. 단위전지;
    제1면 및 제2면을 갖는 평판형으로 형성되며 상기 제1면이 상기 단위전지를 수용할 수 있도록 두께 방향으로 형성된 홈을 포함하는 집전체; 및
    상기 집전체의 상기 제1면과 상기 제2면 사이에 형성된 원형의 지지부재;
    를 포함하고, 상기 지지부재는 복수 개이며 영역별로 각각의 지지부재의 직경이 상이한 고체산화물 연료 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지부재는 메시(Mesh) 구조로 형성된 고체산화물 연료 전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지부재는 플렉서블(Flexible) 재질로 이루어진 고체산화물 연료 전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지부재는 금속 재질로 이루어진 고체산화물 연료 전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 금속 재질은 SUS, Crofer, ZMG 또는 Ni을 포함하는 고체산화물 연료 전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지부재는 은 또는 전도성 세라믹 재질로 이루어진 코팅층을 더 포함하는 고체산화물 연료 전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 홈은 상기 단위전지의 일부를 감싸는 형태인 고체산화물 연료전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 집전체의 제1면은 메시(Mesh) 구조로 형성된 고체산화물 연료 전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체산화물 연료 전지는 원통형인 고체산화물 연료 전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위전지는 제1 전극, 전해질 및 제2 전극을 포함하는 고체산화물 연료 전지.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 집전체의 제2면은 관통홀이 형성된 고체산화물 연료 전지.
  12. 단위전지;
    제1면 및 제2면을 갖는 평판형으로 형성되며 상기 제1면이 상기 단위전지를 수용할 수 있도록 두께 방향으로 형성된 홈을 포함하는 집전체; 및
    일단은 상기 집전체의 제1면에 연결되고 타단은 상기 제2면에 연결되게 형성된 플레이트형의 지지부재;
    를 포함하는 고체산화물 연료 전지.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 지지부재는 플렉서블(Flexible) 재질로 이루어진 고체산화물 연료 전지.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 홈은 상기 단위전지의 일부를 감싸는 형태인 고체산화물 연료전지.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 집전체의 제1면은 메시(Mesh) 구조로 형성된 고체산화물 연료 전지.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 고체산화물 연료 전지는 원통형인 고체산화물 연료 전지.
  17. 청구항 12에 있어서,
    상기 단위전지는 제1 전극, 전해질 및 제2 전극을 포함하는 고체산화물 연료 전지.
  18. 청구항 12에 있어서,
    상기 집전체의 제2면은 관통홀이 형성된 고체산화물 연료 전지.
  19. 청구항 12에 있어서,
    상기 지지부재는 금속 재질로 이루어진 고체산화물 연료 전지.
  20. 청구항 12에 있어서,
    상기 지지부재는 은 또는 전도성 세라믹 재질로 이루어진 코팅층을 더 포함하는 고체산화물 연료 전지.
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