KR101289112B1 - 고체산화물 연료전지용 분리판 - Google Patents

고체산화물 연료전지용 분리판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지에 사용되는 분리판에 관한 것으로, 보다 구체적으로 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하는 단위셀이 위치하는 셀프레임 사이에 구비되는 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 분리판은 셀프레임 및 밀봉부를 수용하는 실사용 영역 및 이 실사용 영역으로부터 외부로 확장되는 전류자를 수용하는 전류자 수용영역을 포함하고, 상기 전류자 수용영역에는 전류자를 부착하기 위한 전류자 부착수단이 구비될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전류자가 구비될 수 있도록 구성되는 분리판을 고체산화물 연료전지에 적용할 경우, 불량셀이 발생 되었을 때 분리판 사이에 전류자를 구비함으로써 불량셀 다음의 단위 셀에 직류전류가 지속적으로 전달될 수 있도록 할 수 있다. 따라서, 불량 셀의 발생으로 전류가 차단되는 문제를 해결할 수 있으며, 기존의 모듈을 교체해야하는 등의 추가작업 없이 효율적으로 연료전지를 운전할 수 있다.

Description

고체산화물 연료전지용 분리판 {SEPARATOR FOR STACK OF SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 발명은 고체산화물 연료전지에 사용되는 분리판에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 발전 시스템이며, 산화물 전해질을 통해 산화제(예컨대, 산소)와 기상 연료(예컨대, 수소)를 전기화학적으로 반응시킴으로써, 직류 전기를 생산하는 에너지 전환 장치이다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체산화물 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 상기 인산형 연료전지는 비교적 낮은 온도에서 작동하며, 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 연료전지는 고온에서 작동한다.
특히, 상기 연료전지들 중 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel cell; SOFC)는 산소 또는 수소 이온전도성을 띄는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써, 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(600~1000 ℃)에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있어서 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 또한, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다.
고체산화물 연료전지는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기생성 유닛이 복수 개로 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 환원반응으로 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 전기에너지를 생산한다.
전해질, 공기극 및 연료극으로 이루어진 연료전지를 단위 전지(셀, cell)라고 하며, 1 개의 단위 전지가 생산하는 전기에너지의 양은 매우 제한적이기 때문에 연료전지를 발전에 이용하기 위해서는 단위 전지를 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 단위셀(cell)을 셀의 프레임(frame)에 위치시킨 후 상기 프레임과 분리판을 반복적으로 적층하여 고체산화물 연료전지의 스택을 형성하게 된다. 이때 상기 연료와 공기를 투입하기 위해서 상기 스택을 통과하는 매니폴드 홀(hole)을 형성하고, 상기 홀을 통해 분리판의 유로로 기체를 투입하게 되는데, 연료극과 접촉하는 분리판의 유로쪽으로는 연료를, 공기극과 접촉하는 분리판의 유로 쪽으로는 공기를 투입하게 된다.
그러나, 상기 연료전지 스택은 많은 수의 분리판과 셀프레임이 연속적으로 적층되고, 작동시 고온에서 높은 압력이 가해지는 과정에서 일부 단위셀의 성능이 저하되어 불량셀로 발생하는 경우가 있다. 이와 같이, 연료전지 스택 중에 불량셀이 부분적으로 발생하게 되면, 불량셀의 내부저항은 크기 때문에 전류가 가해지면 전위차가 낮아지고, 심할 경우 다른 단위셀과는 반대 방향으로 전위차가 형성되어 연료전지 스택의 성능에 심각한 저해를 가져와 스택을 정상적으로 운전할 수 없는 문제점이 생긴다.
실제로 대량 단위셀을 적층하는 대용량의 연료전지가 상용화되기 위해서는, 일부 단위셀에 문제가 발생 되었을 때 문제가 발생한 단위셀을 제외한 나머지 단위셀이 정상적으로 운전될 수 있어야 한다.
현재에는 단위셀을 10여 개 또는 그 이상으로 묶어 하나의 모듈로 구성하여 모듈단위의 운전 또는 교체를 시도하고 있으나, 이 역시 문제 발생 범위에 비해 감수해야할 손실의 범위가 너무 클 뿐만 아니라, 전체 스택을 해체하고 모듈을 교체해야 하는 어려움도 있다.
본 발명의 일 측면은 불량셀의 존재에도 연료전지 운전을 지속할 수 있는 연료전지용 분리판을 제공한다.
본 발명의 일 측면은 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하는 단위셀이 위치하는 셀프레임 사이에 구비되는 고체산화물 연료전지용 분리판으로서,
셀프레임 및 밀봉부를 수용하는 실사용 영역 및 이 실사용 영역으로부터 외부로 확장되는 전류자를 수용하는 전류자 수용영역을 포함하고, 상기 전류자 수용영역에는 전류자를 부착하기 위한 전류자 부착수단이 구비되어 있는 고체산화물 연료전지용 분리판을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 측면은 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하는 단위셀; 상기 단위셀이 위치되는 셀프레임; 상기 셀프레임 사이에 구비되는 분리판을 포함하는 고체산화물 연료전지로서, 상기 분리판은 본 발명에서 제공하는 상기 연료전지용 분리판인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.
본 발명에 따르면, 전류자가 구비될 수 있도록 실사용 영역으로부터 외부로 확장되는 영역을 포함하는 분리판을 고체산화물 연료전지에 적용하는 경우, 상기 연료전지의 스택에 불량셀이 발생 되었을 때 분리판 사이에 전류자를 부착함으로써, 불량셀에 의해 차단된 직류 전류를 다음의 정상적인 단위셀로 지속적으로 전달될 수 있도록 할 수 있다.
따라서, 불량셀의 발생으로 전류가 차단되는 문제를 해결할 수 있으며, 기존의 모듈을 교체해야 하는 등의 추가작업 없이 효율적으로 연료전지를 운전할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 포함하는 고체산화물 연료전지 스택의 조립 전 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 상기 도 1의 고체산화물 연료전지 스택을 조립한 구조로서, 측면에서 관찰한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 포함하는 고체산화물 연료전지 스택의 조립 전 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 상기 도 3의 고체산화물 연료전지 스택을 조립한 구조로서, 측면에서 관찰한 것이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
연료전지 스택은 많은 수의 분리판과 단위셀이 위치하는 셀프레임이 연속적으로 적층된 구조이며, 상기 스택의 작동시 고온에서 높은 압력이 가해지는데 이 과정에서 일부 단위셀의 성능이 저하되어 불량셀로 발생하는 경우가 있을 수 있다.
현재에는 단위 셀을 10여 개 또는 그 이상으로 묶어 하나의 모듈로 구성하여 모듈 단위로 운전하고, 운전 중 불량 셀이 발생하는 경우에는 상기 모듈의 교체를 시도하고 있으나, 이는 문제 발생 범위에 비해 감수해야할 손실의 범위가 너무 클 뿐만 아니라, 전체 스택을 해체하고 모듈을 교체해야 하는 어려움도 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 연료전지 스택에 불량셀이 발생하더라도, 연료의 전달이 효율적으로 이루어질 수 있도록 하는 연료전지용 분리판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 1 및 2는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 포함하는 고체산화물 연료전지 스택의 일 예의 조립 전, 후 구조를 나타낸 도면이다.
도 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 고체산화물 연료전지용 분리판(100)은 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하는 단위셀(200)이 위치하는 셀프레임(300) 사이에 구비되는 고체산화물 연료전지용 분리판으로서, 셀프레임 및 밀봉부를 수용하는 실사용 영역 및 이 실사용 영역으로부터 외부로 확장되는 전류자(101)를 수용하는 전류자 수용영역을 포함하고, 상기 전류자 수용영역에는 전류자를 부착하기 위한 전류자 부착수단(102)이 구비된다.
본 발명에서 제공하는 분리판은 형태에 관계없이 각 단위셀을 구분하는 동시에 연료 및 공기의 유로를 제공하는 역할을 하는 것이라면 충분하며, 일 예로 상기 분리판은 사각형태를 가질 수 있다.
상기 분리판에 포함되는 전류자 수용영역은 상기 사각형태의 분리판의 전, 후, 좌, 우 방향 중 적어도 하나의 방향 쪽에 형성될 수 있다. 도면을 참조하여 설명하면, 상기 전류자 수용영역은 도 1 및 3에서 전류자(101)가 수용될 수 있는 영역이며, 이 영역에는 상기 전류자(101)를 부착할 수 있는 전류자 부착수단(102)이 구비된다.
도 1은 기존 사각형태의 분리판과 비교하여 실사용 영역으로부터 서로 맞서는 좌, 우 방향으로 확장된 영역을 갖는 분리판(100)을 구비하도록 한 연료전지 스택의 구조이다.
또한, 도 3에서와 같이 본 발명의 다른 분리판(100')은 실사용 영역으로부터 서로 맞서는 전, 후 방향으로 확장된 전류자 수용영역을 가질 수 있다.
상기와 같이 실사용 영역으로부터 외부로 확장되는 전류자 수용영역 및 전류자 부착수단을 분리판(100, 100')에 더 구비하는 것은, 연료전지 스택에 불량셀이 발생하였을 경우, 상기 전류자 부착수단에 전류자를 부착시켜 불량셀에 의해 차단된 직류 전류를 상기 전류자(101)를 통해 불량셀 다음에 위치하는 정상 단위셀(200)에 원활하게 전달하기 위함이다. 이러할 경우 불량셀이 발생하더라도 연료전지의 운전을 지속할 수 있다.
상기 분리판(100)의 전류자 수용영역에 구비될 수 있는 전류자(101)는 연료전지 스택의 전기적 성능을 향상시킬 수 있으며, 전류를 전달할 수 있는 것이라면 어떠한 물질도 사용 가능하나, 구체적으로 금속합금 또는 귀금속 등의 도전 특성을 갖는 물질이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
대표적으로 사용될 수 있는 금속 전류자로는, 내열성, 내산성, 내고온성이 우수한 철-니켈-크롬의 주조합금 금속인 인코넬 소재가 사용가능하며, 저가의 소재로서는 크롬 함량이 18% 이상인 스테인리스강을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 분리판(100)은 상술한 바와 같이, 전류자(101) 및 상기 전류자를 부착하기 위한 전류자 부착수단(102) 이외에도 연료가 공급될 수 있는 연료 투입용 매니폴드 홀(103)과 공기가 공급될 수 있는 공기 투입용 매니폴드 홀(104)이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 매니폴드 홀을 통해 연료 및 공기를 유입할 경우, 유입되는 연료 및 공기가 혼합되지 않도록 하기 위해 연료가 투입되는 매니폴드 홀의 입구(103) 및 출구(103')와 공기가 투입되는 매니폴드 홀의 입구(104) 및 출구(104')는 별개의 홀로 형성되어야 한다.
상기 연료 투입용 매니폴드 홀(103)과 공기 투입용 매니폴드 홀(104)을 통해 투입된 기체는 분리판(100)의 유로를 따라 이동하여 단위셀(200)에서 전자를 생산 및 소비시키는 반응을 일으킴으로써 전기에너지를 발생하게 된다.
보다 구체적으로, 연료 투입용 매니폴드 홀(103)을 통해 유입된 연료는 연료극에서 수소가 수소 이온과 전자로 분해되고, 상기 생성된 수소 이온은 전해질을 거쳐 공기극으로 이동한다. 이후, 전자는 외부회로를 거쳐 전류를 발생시키고, 일부 전자는 공기극으로 유입되어 수소 이온과 공기 투입용 매니폴드 홀(104)을 통해 유입된 산소와 결합하여 물이 생성된다.
본 발명의 다른 일 측면은 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하는 단위셀; 상기 단위셀이 위치되는 셀프레임; 상기 셀프레임 사이에 구비되는 분리판을 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.
상기 셀프레임 사이에 구비되는 분리판은 상술한 바와 같이, 셀프레임 및 밀봉부를 수용하는 실사용 영역 및 이 실사용 영역으로부터 외부로 확장되는 전류자를 수용하는 전류자 수용영역을 포함하고, 상기 전류자 수용영역에는 전류자를 부착하기 위한 전류자 부착수단이 구비되어 있는 분리판인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 일 예에서는, 도 1 및 2에 나타낸 바와 같이 상기 연료전지에 구비되는 분리판(100)들은 전류자 부착수단(102)이 구비되어 있는 전류자 수용영역이 동일한 쪽에 위치하도록 적층될 수 있다.
또한, 도 3 및 4에는 본 발명에 따르는 고체산화물 연료전지의 다른 일 예가 나타나있다.
연료전지 스택에 불량셀이 발생하여 분리판의 전류자 수용영역에 전류자를 구비하는데에 있어서, 단위셀(200) 간격이 너무 좁아 전류자(101)를 효과적으로 부착하기 어려울 경우에는 도 3 및 4에 나타낸 바와 같이 서로 다른 방향으로 확장된 영역을 갖는 분리판(100, 100')을 교차로 구비함으로써, 2개의 단위셀(200) 간격으로 전류자(101)가 구비되도록 할 수 있다.
즉, 상기 분리판(100, 100')들은 도 3 및 4에 나타낸 바와 같이, 하나의 분리판의 전류자 수용영역이 최인접 분리판의 전류자 수용영역과는 서로 다른 쪽에 위치하고, 최인접 분리판의 다음 분리판의 전류자 수용영역과는 동일한 쪽에 위치하도록 적층되어 있는 것이 바람직하다.
상기와 같이, 연료전지 스택에 예상치 못한 불량 셀이 발생하였을 경우, 분리판 사이에 전류자를 부착시킴으로써, 상기 전류자를 통해 직류 전류를 불량셀 다음에 위치하는 정상 단위셀에 전달할 수 있다.
이에 따라, 불량셀의 존재에도 전류의 전달이 원활하게 이루어질 수 있으며, 기존의 모듈을 교체해야하는 등의 추가작업 없이 연료전지의 지속적인 운전이 가능하다.
1000: 연료전지
100: 연료전지용 분리판
100': 연료전지용 분리판
101: 전류자
102: 전류자 부착수단
103: 연료 투입용 매니폴드 홀
103': 연료 배출용 매니폴드 홀
104: 공기 투입용 매니폴드 홀
104': 공기 배출용 매니폴드 홀
200: 단위셀
300: 셀프레임

Claims (7)

  1. 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하는 단위셀이 위치하는 셀프레임 사이에 구비되는 고체산화물 연료전지용 분리판으로서,
    셀프레임 및 밀봉부를 수용하는 실사용 영역 및 이 실사용 영역으로부터 외부로 확장되는 전류자를 수용하는 전류자 수용영역을 포함하고, 상기 전류자 수용영역에는 전류자를 부착하기 위한 전류자 부착수단이 구비되어 있는 고체산화물 연료전지용 분리판.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 분리판이 사각형태를 갖고, 상기 전류자 수용영역이 상기 사각형태의 분리판의 전, 후, 좌, 우 방향 중 적어도 하나의 방향 쪽에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 분리판.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 전류자 수용영역은 상기 사각형태의 분리판의 전, 후, 좌, 우 방향 중 적어도 서로 맞서는 두 개의 방향쪽에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 분리판.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 전류자는 철-니켈-크롬의 주조합금 금속인 인코넬 소재 또는 크롬 함량이 18% 이상인 스테인리스강인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 분리판.
  5. 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하는 단위셀;
    상기 단위셀이 위치되는 셀프레임;
    상기 셀프레임 사이에 구비되는 분리판을 포함하는 고체산화물 연료전지로서, 상기 분리판이 청구항 1 내지 청구항 4 중의 어느 한 항에 기재된 분리판인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 분리판들은 상기 전류자 부착수단이 구비되어 있는 전류자 수용영역이 동일한 쪽에 위치하도록 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 분리판들은 사각형태를 갖고, 상기 전류자 수용영역이 상기 사각형태의 분리판들에 전, 후 방향쪽에 형성되어 있는 것과 좌, 우 방향쪽에 형성되어 있는 것을 포함하고, 상기 분리판들은 하나의 분리판의 전류자 수용영역이 최인접 분리판의 전류자 수용영역과는 서로 다른 쪽에 위치하고, 최인접 분리판의 다음 분리판의 전류자 수용영역과는 동일한 쪽에 위치하도록 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
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