KR101300469B1 - 고체산화물 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극과 전기적 접속 수단 사이의 전기적인 신뢰성을 확보할 수 있는 관형 고체산화물 연료 전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 고체산화물 연료 전지는 관 형태의 연료극, 연료극의 외부면에 적층되는 전해질, 전해질의 외부면에 적층되는 공기극, 및 공기극의 외부면 또는 연료극의 내부면에 결합되며, 가동 온도에서 형상이 변형되며 직경 방향으로 압력을 제공하는 적어도 하나의 가압 부재를 포함한다. 본 발명에 따르면, 가압 부재가 제공하는 가압력에 의해, 가압 부재나 집전체는 관형 고체산화물 연료 전지의 전극에 견고하게 밀착시키고, 관형 고체산화물 연료 전지의 전체적인 강성과 내구성을 향상시킬 수 있다.

Description

고체산화물 연료 전지{Solid oxide fuel cell}
본 발명은 고체산화물 연료 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 관형 고체산화물 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지란 연료(수소, LNG, LPG 등)와 공기의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 기존의 발전기술이 연료의 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 발전기 구동 과정을 취하는 것과 달리 연소 과정이나 구동 장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경문제를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이다. 이러한 연료 전지는 SOx와 NOx 등의 대기오염물질을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적어 무공해 발전이며, 저소음, 무진동 등의 장점이 있다.
연료 전지는 인산형 연료 전지(PAFC), 알칼리형 연료 전지(AFC), 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC), 직접메탄올 연료 전지(DMFC), 고체산화물 연료 전지(SOFC) 등 다양한 종류가 있다.
이 중 고체산화물 연료 전지(SOFC)는 활성화 분극에 바탕하여 과전압이 낮고, 비가역적 손실이 적으므로 발전효율이 높다. 또한, 수소뿐만 아니라 탄소 또는 하이드로 카본계의 연료로 사용할 수 있어 연료 선택폭이 넓으며, 전극에서의 반응속도가 높기 때문에 전극촉매로서 값비싼 귀금속을 필요로 하지 않는다. 게다가, 발전에 부수하여 배출되는 열은 온도가 매우 높아 이용가치가 높다.
고체산화물 연료 전지에서 발생한 열은 연료의 개질에 이용될 뿐만 아니라, 열병합 발전에서 산업용 이나 냉방용 에너지원으로 이용할 수 있다. 따라서, 고체산화물 연료 전지는 향후 수소 경제 사회로의 진입을 위해 필수적인 발전 기술로 인식되고 있는 실정이다.
고체산화물 연료 전지(Solid oxide fuel cell; SOFC)는 일반적으로 평판형 고체산화물 연료 전지와 관형 고체산화물 연료 전지로 분류되고 있다.
평판형 고체산화물 연료 전지는 세퍼레이터, 단위전지, 세퍼레이터 순으로 적층된다. 평판형 고체산화물 연료 전지는 관형 고체산화물 연료 전지에 비해서 높은 성능 및 전력밀도를 갖고 제조공정이 매우 간단하다. 특히, 테이프 캐스팅(tape casting), 닥터 블레이드(doctor blade), 스크린 프린팅(screen printing) 등을 통해 평면상에 전극 및 전해질을 제조하므로 연료 전지 제조비용이 낮은 장점이 있다.
하지만, 평판형 고체산화물 연료 전지는 반응가스의 공급과 배출을 위해서 커다란 외부 매니폴드(manifold)를 필요로 하고, 이러한 구조는 엄격한 기체 밀봉을 요구한다. 따라서, 세퍼레이터와 단위전지 사이에 가스밀봉을 위한 실링부재를 배치해야 한다. 그러나, 실링부재는 고온에서 내구성이 안정적이지 못해 크랙(crack)이 발생하는 문제점이 있다.
관형 고체산화물 연료 전지는 공기극 지지체의 외부에 전해질, 연료극 순으로 적층되고, 다른 단위전지와 연결을 위한 연결재가 공기극 지지체 상부에 형성된다. 관형 고체산화물 연료 전지는 평판형 고체산화물 연료 전지와 달리 별도의 가스밀봉이 필요 없어 장기 내구성이 좋고, 열충격에 안정적이다.
관형 고체산화물 연료 전지는 평판형에 비하여 스택 자체의 전력밀도는 다소 떨어지나 시스템 전체의 전력밀도는 비슷한 것으로 평가되고 있으며, 스택을 구성하는 단위셀들의 밀봉이 용이하고, 열응력에 대한 저항성이 강한 동시에 스택의 기계적 강도가 높아 대면적 제조가 가능한 진보된 기술로서, 이에 대한 기술 연구가 활발히 진행되고 있다.
한편, 관형 고체산화물 연료 전지는 공기극을 연료 전지의 지지체로 사용하는 공기극 지지체식 연료 전지와 연료극을 지지체로 사용하는 연료극 지지체식 연료 전지의 두 종류로 구분되는데, 공기극 지지체식 연료 전지와 연료극 지지체식 연료 전지 중에서는 연료극 지지체식이 진보된 형태로서, 현재의 고체산화물 연료 전지는 대부분 연료극 지지체식을 중심으로 하여 연구 개발이 진행되고 있다.
상기와 같은 연료극 지지체식 관형 고체산화물 연료 전지는, 원통형, 평관형 등 다양한 단면 형상을 갖는 관체 구조로서, 내측으로부터 연료극, 전해질 및 공기극이 순차적으로 적층되어 있다. 또한, 연료 전지에서 발생된 전기는 외부회로를 통해 흐르면서 일을 하게 되는데, 연료극의 내주면 상과 공기극의 외주면 상에는 연료 전지에 서 생성된 전기를 외부 장치나 회로에 전기를 공급하기 위한 각각의 집전체가 설치되어 있다.
보통 연료극과 공기극의 집전을 위한 방법은 여러 가지가 있으나, 연료극 집전방법으로는 금속관 튜브 등을 이용해서 외부에 집진재를 삽입해서 이용하는 방법이 있고, 공기극 집전방법으로는 와이어 등을 이용하여 전류를 집전하고 있다.
이러한 관형 고체산화물 연료 전지는 다양한 이점에도 불구하고, 몇 가지 단점을 가지고 있다. 그 중 하나는, 고온에서 전극(연료극, 공기극) 과 전기적 접속 수단(예컨대 집전체 등)의 팽창력 차이에 의해 상호간에 접속력이 약해지는 문제가 있다.
또한 연료 전지가 관형으로 형성됨에 따라, 직경 방향에 대한 기계 강도와 내구성이 약하다는 점이다. 이로 인해 직경 방향을 따라 외력이 가해지거나 응력에 변화가 발생하는 경우, 쉽게 변형되거나 파손되기 쉽다.
따라서, 전극과 전기적 접속 수단 사이의 전기적인 신뢰성을 확보함과 동시에, 이에 직경 방향으로도 기계적인 강도와 내구성을 강화시킬 수 있는 관형 고체산화물 연료 전지가 요구되고 있는 실정이다.
따라서 본 발명의 목적은 관형 고체산화물 연료 전지의 전극과 전기적 접속 수단 사이의 전기적인 신뢰성을 확보할 수 있는 관형 고체산화물 연료 전지를 제공하는 데에 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 관형 고체산화물 연료 전지의 외부 및 내부를 기계적으로 지지하여 단위전지의 강성과 내구성을 높일 수 있는 관형 고체산화물 연료 전지를 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 관 형태의 제1 전극; 상기 제1 전극의 외부면에 적층되는 전해질; 상기 전해질의 외부면에 적층되는 제2 전극; 및 상기 제2 전극의 외부면 또는 상기 제1 전극의 내부면에 결합되며, 가동 온도에서 형상이 변형되며 직경 방향으로 압력을 제공하는 적어도 하나의 가압 부재;를 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극 중에 하나는 공기극이고, 다른 하나는 연료극인 고체산화물 연료 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료 전지에 있어서, 상기 가압 부재는, 형상기억합금으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료 전지에 있어서, 상기 제2 전극의 외부면에 결합되는 상기 가압 부재는, 상기 제2 전극에 생성된 전기를 외부로 공급하는 공기극 집전체일 수 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료 전지에 있어서, 상기 제1 전극의 내부면에 결합되는 상기 가압 부재는, 상기 제1 전극에 생성된 전기를 외부로 공급하는 제1 전극 집전체일 수 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료 전지에 있어서, 상기 제2 전극과 상기 제2 전극의 외부면에 결합되는 상기 가압 부재 사이에 개재되는 제2 전극 집전체를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료 전지에 있어서, 상기 제2 전극 집전체는, 관, 와이어, 및 금속 섬유 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료 전지에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제1 전극의 내부면에 결합되는 상기 가압 부재 사이에 개재되는 제1 전극 집전체를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료 전지에 있어서, 상기 제1 전극 집전체는, 관, 와이어, 및 금속 섬유 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다.
본 발명은 또한, 관 형태로 형성되며, 직경 방향을 따라 적층되며 배치되는 공기극과 연료극을 포함하는 전극; 상기 공기극과 연료극 사이에 개재되는 전해질; 및 상기 전극의 외부면 또는 내부면에 결합되며, 형상기억합금으로 형성되어 형상의 변형을 통해 직경 방향으로 압력을 제공하는 적어도 하나의 가압 부재;를 포함하는 고체산화물 연료 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료 전지에 있어서, 상기 가압 부재는, 고리 형상으로 형성되어 다수개가 나란하게 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료 전지에 있어서, 상기 가압 부재는, 상기 전극에 생성된 전기를 외부로 공급하는 집전체일 수 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료 전지에 있어서, 상기 전극과 상기 가압 부재 사이에 개재되는 적어도 하나의 집전체를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료 전지에 있어서, 상기 집전체는, 상기 가압 부재에 의해 상기 전극에 고정 밀착될 수 있다.
본 발명에 따른 관형의 고체산화물 연료 전지는 전극의 외부면에 형상기억합금으로 이루어지는 가압 부재가 구비된다. 그리고 가압 부재의 형상이 변형되며 제공되는 가압력은 관형 고체산화물 연료 전지의 전극으로 가해지므로, 집전체가 전극의 외부면에 견고하게 밀착될 수 있다.
따라서 열팽창 계수가 전혀 다른 전극과 집전체가 고온에서 팽창하는 경우, 서로 다른 팽창 정도로 인해 전극과 집전체가 분리되거나 박리되는 것을 방지할 수 있다.
또한 가압력을 통해 집전체가 전극에 견고하게 결합되므로, 열팽창 정도에 상관없이 항상 일정한 결합력을 확보할 수 있다. 이에 전기적인 신뢰성도 일정하게 확보할 수 있다.
더하여, 본 발명에 따른 관형 고체산화물 연료 전지는 외부면과 내부면에서 동시에 일정한 힘이 가해진다. 이에 응력 변화가 발생하더라도 관형 고체산화물 연료 전지의 외부면과 내부면에서 기계적으로 지지하도록 구성되므로, 고체산화물 연료 전지의 전체적인 강성과 내구성을 보강하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료 전지를 도시한 부분 절개 사시도.
도 2는 도 1의 I-I'을 따라 절단한 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관형 고체산화물 연료 전지의 부분 절개 사시도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 관형 고체산화물 연료 전지의 부분 절개 사시도.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하자고 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료 전지를 도시한 부분 절개 사시도이고, 도 2는 도 1의 I-I'을 따라 절단한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 관형 고체산화물 연료 전지(100)는 원통형의 연료극(10) 상에 전해질(20), 및 공기극(30)이 순차적으로 적층되어 결합된 단위셀(80)을 포함한다. 여기서 단위셀(80)은 연료극(10)을 통해 공급되는 수소와 공기극(30)을 통해 공급되는 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생산한다.
연료극(10)은 관형으로 형성되며, 40%에서 60%의 지르코니아 가루를 포함한 산화니켈분을 소결한 재료(니켈/YSZ cermet)로 이루어질 수 있다. 여기서, 산화니켈은 전기에너지를 생성할 때 수소에 의해 금속 니켈로 환원되어 전자 전도성을 발휘하게 된다.
전해질(20)은 연료극(10) 외부면에 적층되는 형태로 배치된다. 예를 들면, 전해질(20)은 딥코팅(dip-coating), 페인팅(painting), 스프레이(spray) 방법을 통해 원통 형상의 연료극(10) 표면에 균일한 두께로 형성될 수 있다.
전해질(20)은 연료극(10)의 내부로 유입된 연료가 외부로 유출되는 것을 방지하는 역할을 해야 하므로 미소한 간극이나 기공 또는 흠집이 없도록 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 전해질(20)은 이온 전도성이 있는 고체산화물로 형성될 수 있다. 전해질(20)은 지르코니아(ZrO2)에 이트리아(Y2O3)를 녹인 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized ZrO2; YSZ)를 사용할 수 있다. 하지만, 본 발명에 있어서, 전해질(20)의 재료가 YSZ로 제한되는 것은 아니며, 이외에 전해질(20)로 기능할 수 있는 다양한 재료로 전해질(20)이 형성될 수 있다.
공기극(30)은 전해질(20) 표면에 배치된다. 전해질(20)과 마찬가지로, 공기극(30)도 딥코팅(dip-coating), 페인팅(painting), 스프레이(spray) 등의 방법을 통해 전해질(20) 표면에 균일한 두께로 형성될 수 있다.
공기극(30)은 페로브스카이트형 산화물을 사용할 수 있고, 특히 전자전도성이 높은 란탄스트론튬 망가나이드(예컨대, LS0.84Sr0.16MnO3)를 사용할 수 있다. 이 경우 , 공기극(30)에서 산소는 LaMnO3에 의해서 산소이온으로 전환되어 연료극(10)으로 전달된다.
또한, 본 실시예에 따른 관형 고체산화물 연료 전지(100)는 전극(즉 연료극과 공기극)에 각각 결합되는 집전체(40, 50)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 연료극(10)의 내부면에는 연료극 집전체(40)가 형성되고 공기극(30)의 외부면 상에는 공기극 집전체(50)가 형성될 수 있다. 이에 단위셀(80)에서 생성된 전기는 연료극 집전체(40)와 공기극 집전체(50)를 통해 외부 장치 또는 회로에 공급될 수 있다.
본 실시예에 따른 공기극 집전체(50)와 연료극 집전체(40)는 와이어(wire), 스틱(stick), 금속관, 튜브(tube) 등 다양한 형태의 금속 재료로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 공기극 집전체(50)와 연료극 집전체(40)가 금속관 형태로 형성되어 공기극(30)의 외부면과, 연료극(10)의 내부면에 밀착 고정되는 경우를 예로 들고 있다.
이처럼 집전체(40, 50)를 금속관 형태로 형성하는 경우, 집전체(40, 50)는 집전을 수행할 뿐만 아니라 연료 전지(100)의 강도를 보강하는 역할도 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 집전체(40, 50)가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 집전체(40, 50)는 금속 섬유 형태로 이루어지는 것도 가능하다.
집전체(40, 50)가 금속 섬유로 형성되는 경우, 금속 섬유는 공기극(30)의 외주면과 연료극(10)의 내주면 전체에 면접촉하는 형태로 배치될 수 있다.
금속 섬유는 메쉬(mesh) 형태로 형성될 수 있다. 이 경우 금속 섬유로는 크로퍼(Crofer 22 APU)가 이용될 수 있으며, 그 외에도 다양한 니켈, 스테인레스 등의 다양한 재료들이 이용될 수 있다. 또한 다층으로 형성되는 금속 섬유를 이용할 수 있으며, 금속 펠트나 발포 금속 등을 이용하는 등 다양한 응용이 가능하다.
이에 더하여, 본 실시예에 따른 관형 고체산화물 연료 전지(100)는 집전체(40, 50)의 외부에 적어도 하나의 가압 부재(60, 70)가 더 부가된다.
본 실시예의 가압 부재(60, 70)는 집전체(40, 50)의 외주면에 고리(ring) 형태로 결합될 수 있으며, 연료극(10)과 공기극(30)의 길이 방향을 따라 다수개가 나란하게 배치될 수 있다.
특히, 본 실시예에 따른 가압 부재(60, 70)는 형상기억합금으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 실시예에 따른 가압 부재(60, 70)는 특정 온도에서 형상이 변형되고, 이러한 형상의 변형을 통해 집전체(40, 50)를 가압한다.
보다 구체적으로, 연료극(10)의 내부에 배치되는 가압 부재(60)는 특정 온도에서 연료극(10)의 외경 방향으로 팽창하는 형상기억합금이 이용된다. 그리고 공기극(30)의 외부에 배치되는 가압 부재(70)는 특정 온도에서 공기극(30)의 내경 방향으로 수축하는 형상기억합금이 이용된다. 이때, 가압 부재(60, 70)가 변형하는 온도는 일반적으로 관형 고체산화물 연료 전지(100)가 가동하는 온도(예컨대 800℃ ~ 1,000℃)일 수 있다.
이에 관형 고체산화물 연료 전지(100)가 가동하여 내부가 특정 온도를 유지하게 되면, 연료극 집전체(40)에 결합되는 가압 부재(60)는 연료극(10)의 외경 방향으로 팽창하여 연료극 집전체(40)를 가압하게 되고, 이로 인해 가압 부재(60)는 연료극 집전체(40)를 연료극(10)의 내부면에 견고하게 밀착시키게 된다. 마찬가지로, 공기극 집전체(50)에 결합되는 가압 부재(70)는 공기극(30)의 내경 방향으로 수축하여 공기극 집전체(50)를 가압하게 되고, 이로 인해 가압 부재(70)는 공기극 집전체(50)를 공기극(30)의 외부면에 견고하게 밀착시키게 된다.
따라서 연료극 집전체(40)와 공기극 집전체(50)는 가압 부재(60, 70)에 의해 연료극(10)과 공기극(30)에 각각 견고하게 밀착되어 고정될 수 있다. 또한, 관형 고체산화물 연료 전지(100)의 내주면과 외주면 전체에서 동시에 일정한 힘으로 압력이 가해지므로, 관형 고체산화물 연료 전지(100)의 강성과 내구성이 보강되는 효과도 얻을 수 있다.
이러한 가압 부재(60, 70)는 전류 집전의 특성을 향상시키기 위하여 가압력을 높일 수 있다. 가압력을 높이는 경우, 집전체들(40, 50)과 전극들(10, 30)과의 접촉성이 증가될 수 있다. 그러나 과도한 가압력을 가하는 경우, 전해질(20)에 과도한 힘이 가해져 전해질(20)이 파손되는 문제가 발생할 수 있으므로, 이 경우 미세한 조절이 필요하다.
한편, 본 실시예에서는 공기극 집전체(50)와 연료극 집전체(40)가 구비되고, 별도의 가압 부재(60, 70)를 이용하여 집전체(40, 50)들을 가압하도록 구성되는 경우를 예로 들었다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 가압 부재(60, 70)를 직접 집전체로 이용하는 것도 가능하다. 이 경우 전술한 공기극 집전체(50)와 연료극 집전체(40)는 생략될 수 있으며, 가압 부재(60, 70)가 집전체로써 직접 연료극(10)과 공기극(30)에 결합될 수 있다.
또한 본 실시예에서는 연료극(10), 전해질(20) 및 공기극(30) 순으로 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 공기극, 전해질, 연료극 순으로 형성될 수 있다. 즉 관형 고체산화물 연료 전지(100)는 제1 전극, 전해질, 제2 전극을 포함하며, 제1 전극 및 제2 전극 중에 하나는 공기극이고, 다른 하나는 연료극일 수 있다.
이상과 같이 구성되는 본 실시예에 따른 관형 고체산화물 연료 전지(100)는 전극의 외부면에 형상기억합금으로 이루어지는 가압 부재가 구비된다. 그리고 상기의 가압 부재의 형상이 변형되며 제공되는 가압력은 관형 고체산화물 연료 전지(100)의 전극(10, 30)으로 가해지므로, 집전체(40, 50)가 전극(10, 30)의 외부면에 견고하게 밀착될 수 있다.
따라서 열팽창 계수가 전혀 다른 전극(10, 30)과 집전체(40, 50)가 고온에서 팽창하는 경우, 서로 다른 팽창 정도로 인해 집전체(40, 50)가 전극(10, 30)과 분리되거나 박리되는 것을 방지할 수 있다.
또한 가압력을 통해 집전체(40, 50)가 전극(10, 30)에 견고하게 결합되므로, 열팽창 정도에 상관없이 항상 일정한 결합력을 확보할 수 있다. 이에 전기적인 신뢰성도 일정하게 확보할 수 있다.
더하여, 본 실시예에 따른 관형 고체산화물 연료 전지(100)는 외부면과 내부면에서 동시에 일정한 힘이 가해진다. 이에 응력 변화가 발생하더라도 관형 고체산화물 연료 전지의 외부면과 내부면에서 기계적으로 지지하도록 구성되므로, 고체산화물 연료 전지의 전체적인 강성과 내구성을 보강하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 관형 고체산화물 연료 전지는 전술한 실시예에 한정되지 않으며 다양한 응용이 가능하다.
이하에서 설명하는 실시예들은 전술한 실시예와 유사하게 구성되며, 집전체의 구성에 있어서만 일부 차이를 갖는다. 따라서 동일한 구성 요소들에 대해서는 상세한 설명을 생략하며, 차이가 있는 집전체에 대한 구성에 있어서 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 한편, 동일한 구성 요소들에 있어서는 동일한 도면 부호를 이용하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관형 고체산화물 연료 전지의 부분 절개 사시도이다.
이를 참조하면 본 실시예에 따른 관형 고체산화물 연료 전지(200)는 전술한 실시예와 동일하게 구성되며, 가압 부재(60, 70)가 고리 형상이 아닌, 원통 형상의 형상기억합금으로 형성되는 경우를 예로 들고 있다.
이 경우, 각각의 가압 부재(60, 70)는 연료극(10)의 내부면과 공기극(30)의 외부면 전체와 면접촉하는 형태로 배치될 수 있다.
따라서 이처럼 가압 부재(60, 70)가 원통 즉, 관 형상으로 형성되는 경우, 전술한 실시예의 집전체(도 2의 40, 50)는 생략될 수 있으며, 가압 부재(60, 70)가 집전체의 역할을 함께 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 관형 고체산화물 연료 전지의 부분 절개 사시도이다.
이를 참조하면, 본 실시예에 따른 관형 고체산화물 연료 전지(300)는 가압 부재(60, 70)가 전극(10, 30)의 외부면에 나선형으로 감기어 결합되는 와이어(wire) 형태로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로 본 실시예에 따른 가압 부재(60, 70)는 코일 스프링(coil spring) 형상의 형상기억합금으로 형성될 수 있다.
이처럼 가압 부재(60, 70)가 나선형으로 형성됨에 따라, 와이어 형태로 가압 부재(60, 70)를 형성하더라도, 가압 부재(60, 70)에서 발생하는 가압력은 관형 고체산화물 연료 전지(100)의 내경 및 외경 방향으로 고르게 제공될 수 있다. 이에 따라 가압 부재(60, 70)에서 가해지는 가압력에 의해 집전체(40, 50)와 전극(10, 30)은 서로 더욱 견고하게 밀착되어 고정될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 가압 부재(60, 70)도 전술한 경우와 마찬가지로 집전체의 역할을 함께 수행할 수 있다. 이러한 경우, 집전체(40, 50)는 생략될 수 있으며, 가압 부재(60, 70)가 직접 전극(10, 30)과 접촉하여 집전체의 역할을 수행하게 된다.
이상과 같이 구성되는 본 발명에 따른 고체산화물 연료 전지는 전술한 실시예들에 한정되지 않으며, 다양한 응용이 가능하다.
예를 들어, 전술한 실시예들에서는 연료극과 공기극의 가압 부재가 모두 동일한 형태로 형성되는 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 연료극에 결합되는 가압 부재는 관형의 형상기억합금으로 형성하고, 공기극에 결합되는 가압부재는 코일 스프링 형상의 형상기억합금으로 형성하는 등 필요에 따라 다양한 형태를 선택적으로 적용할 수 있다.
또한 전술한 실시예들에서는 연료극과 공기극에 모두 가압 부재가 배치되는 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 연료극 또는 공기극 중 어느 하나의 전극에만 가압 부재를 배치하는 등 필요에 따라 다양한 응용이 가능하다.
또한 전술한 실시예들에서는 연료극 지지체식인 관형 고체산화물 연료 전지를 예로 들어 설명하였다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 공기극 지지체식의 관형 고체산화물 연료 전지에도 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 본 전술한 실시예들에서는 관형 고체산화물 연료 전지에 적용되는 집전체를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 관형의 지지체에 집전체 또는 금속 부품이 체결되는 구조라면 폭넓게 적용될 수 있다.
100, 200, 300: 관형 고체산화물 연료 전지
10: 연료극
20: 전해질
30: 공기극
40: 연료극 집전체
50: 공기극 집전체
60, 70: 가압 부재
80: 단위 셀

Claims (15)

  1. 관 형태의 제1 전극;
    상기 제1 전극의 외부면에 적층되는 전해질;
    상기 전해질의 외부면에 적층되는 제2 전극; 및
    상기 제2 전극의 외부면 및 상기 제1 전극의 내부면에 결합되며, 800 ~ 1000℃에서 형상이 변형되는 형상기억합금으로 이루어져 직경 방향으로 압력을 제공하는 한 쌍의 가압 부재;를 포함하고,
    상기 한 쌍의 가압 부재 중 상기 제2 전극의 외부면에 결합되는 가압 부재는 800 ~ 1000℃에서 수축하여 상기 제2 전극에 밀착되고, 상기 제1 전극의 내부면에 결합되는 가압 부재는 800 ~ 1000℃에서 팽창하여 상기 제1 전극에 밀착되고,
    상기 제1 및 제2 전극 중에 하나는 공기극이고, 다른 하나는 연료극인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 전극의 외부면에 결합되는 상기 가압 부재는,
    상기 제2 전극에 생성된 전기를 외부로 공급하는 제2 전극 집전체인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극의 내부면에 결합되는 상기 가압 부재는,
    상기 제1 전극에 생성된 전기를 외부로 공급하는 제1 전극 집전체인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극과 상기 제2 전극의 외부면에 결합되는 상기 가압 부재 사이에 개재되는 제2 전극 집전체;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 전극 집전체는,
    관, 와이어, 및 금속 섬유 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제1 전극의 내부면에 결합되는 상기 가압 부재 사이에 개재되는 제1 전극 집전체;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 전극 집전체는,
    관, 와이어, 및 금속 섬유 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
  10. 관 형태로 형성되며, 직경 방향을 따라 적층되며 배치되되 외부에 공기극과 내부에 연료극을 포함하는 전극;
    상기 공기극과 연료극 사이에 개재되는 전해질; 및
    상기 전극의 외부면 및 내부면에 결합되며, 형상기억합금으로 형성되어 형상의 변형을 통해 직경 방향으로 압력을 제공하는 한 쌍의 가압 부재; 를 포함하고,
    상기 공기극의 외부면에 결합되는 가압 부재는 800 ~ 1000℃에서 수축하여 상기 공기극에 밀착되고, 상기 연료극의 내부면에 결합되는 가압 부재는 800 ~ 1000℃에서 팽창하여 상기 연료극에 밀착되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
  11. 제10항에 있어서, 상기 가압 부재는,
    고리 형상으로 형성되어 다수개가 나란하게 배치되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
  12. 제10항에 있어서, 상기 가압 부재는,
    상기 전극에 생성된 전기를 외부로 공급하는 집전체인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
  13. 제10항에 있어서, 상기 전극과 상기 가압 부재 사이에 개재되는 적어도 하나의 집전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
  14. 제13항에 있어서, 상기 집전체는,
    상기 가압 부재에 의해 상기 전극에 고정 밀착되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
  15. 삭제
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