KR101372673B1 - 더미 분리판이 삽입된 고체산화물 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 더미 분리판이 삽입된 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
본 발명의 일태양은 상부 및 하부 엔드판; 상부 및 하부 엔드판 사이에 구비되는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택과 상부 및 하부 엔드판 사이에 구비되어 상기 스택 내 면압분포를 일정하게 하는 2개 이상의 더미 분리판; 및 상기 더미 분리판 사이에 구비되는 집전체를 포함하고, 상기 더미 분리판은 공기 투입 매니폴드 홀, 연료 투입 매니폴드 홀, 공기 배출 매니폴드 홀 및 연료 배출 매니폴드 홀을 구비하며, 상기 공기 투입 매니폴드 홀, 연료 투입 매니폴드 홀 및 공기 배출 매니폴드 홀은 상기 더미분리판 사이로 공기 및 연료가 유입되지 않도록 그 주위에 밀봉재가 구비되는 고체산화물 연료전지를 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 스택 내 면압분포의 불균형을 해소하여 연료전지의 스택 안정성을 확보할 수 있는 고체산화물 연료전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 향상된 스택안정성을 가지며, 연료 낭비가 저감될 수 있는 고체산화물 연료전지를 제공할 수 있다.

Description

더미 분리판이 삽입된 고체산화물 연료전지{SOLID OXIDE FUEL CELL CONTAING DUMMY SEPARATOR}
본 발명은 더미 분리판이 삽입된 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지는 일반적으로 연료전지 중 가장 높은 온도(700 ~ 1000℃)에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 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 가능하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점 때문에 고체산화물 연료전지에 관한 연구는 현재 활발히 이루어지고 있다.
고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)는 전기화학적 에너지 변환장치로서, 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극 및 연료극으로 이루어진다. 공기극에서는 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되고, 이때, 연료극에서는 전자가 생성되고 공기극에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 되는 것이다.
그러나, 상기 공기극, 전해질 및 연료극을 기본으로 하는 단위전지 하나에서 발생하는 전력은 상당히 작기 때문에, 여러 개의 단위 전지를 적층(스택)하여 연료 전지를 구성함으로써 상당량의 전력을 출력시킬 수 있게 되고, 나아가 다양한 발전 시스템 분야에 적용할 수 있게 된다. 상기 적층을 위해서, 한 단위전지의 공기극과 다른 단위전지의 연료극은 전기적으로 연결되어야 할 필요가 있으며, 이를 위해 분리판(seperator)이 사용된다. 또한, 상기 공기극 또는 연료극과 분리판 사이에는 집전체(current collector)가 구비되어 공기극 또는 연료극이 분리판과 전기적으로 균일하게 접촉할 수 있게 한다.
한편, 상기와 같이 고체산화물 연료전지를 제조하기 위하여 스택을 형성을 형할 때, 박판성형분리판을 사용하는 경우에는 연료전지의 최상부 및 최하부에 위치하는 엔드판의 영향으로 상부 또는 하부 영역은 중간 영역과는 다른 면압분포가 가해지게 되며 이로 인하여 적층시 또는 운전시에 연료전지의 안정성에 문제가 발생할 가능성이 높아지게 된다.
본 발명의 일측면은 스택 내 면압분포의 불균형을 해소하여 거의 일정한 면압분포 수준을 갖도록 하는 고체산화물 연료전지를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 스택안정성을 확보하고, 연료 이용률의 감소를 방지할 수 있는 고체산화물 연료전지를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일태양은 상부 및 하부 엔드판; 상부 및 하부 엔드판 사이에 구비되는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택과 상부 및 하부 엔드판 사이에 구비되어 상기 스택 내 면압분포를 일정하게 하는 2개 이상의 더미 분리판; 및 상기 더미 분리판 사이에 구비되는 집전체를 포함하고, 상기 더미 분리판은 공기 투입 매니폴드 홀, 연료 투입 매니폴드 홀, 공기 배출 매니폴드 홀 및 연료 배출 매니폴드 홀을 구비하며, 상기 공기 투입 매니폴드 홀, 연료 투입 매니폴드 홀 및 공기 배출 매니폴드 홀은 상기 더미분리판 사이로 공기 및 연료가 유입되지 않도록 그 주위에 밀봉재가 구비되는 고체산화물 연료전지를 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 스택 내 면압분포의 불균형을 해소하여 연료전지의 스택 안정성을 확보할 수 있는 고체산화물 연료전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 향상된 스택안정성을 가지며, 연료의 손실 방지를 통하여 연료 이용률의 저하를 막을 수 있는 고체산화물 연료전지를 제공할 수 있다.
도 1은 연료전지 내 셀(cell) 구조의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2는 단위 전지(unit cell) 구조의 일례를 나타내는 사시도이며, (a)는 셀 프레임과 분리판이 분리되어 있는 모습을 나타내고, (b)는 셀 프레임과 분리판이 결합되어 있는 모습을 나타낸다.
도 3은 단위전지가 적층되는 모습을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 스택과 상부 및 하부 엔드판이 결합된 연료전지를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 단위 전지의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료 전지의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명 더미 분리판의 일례를 모식적으로 나타낸 평면도이다.
도 1은 연료전지 내 셀(cell) 구조의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 셀(10)은 일반적으로 산소 이온전도성 전해질(14)과 그 양면에 위치한 공기극(16) 및 연료극(12)으로 이루어진다. 공기극(16)에서는 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질(14)을 통해 연료극(12)으로 이동하여 다시 연료극(12)에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되고, 이때, 연료극(12)에서는 전자가 생성되고 공기극(16)에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 된다.
도 2는 단위 전지(unit cell) 구조의 일례를 나타내는 사시도이며, (a)는 셀 프레임과 분리판이 분리되어 있는 모습을 나타내고, (b)는 셀 프레임과 분리판이 결합되어 있는 모습을 나타낸다. 도 2에 나타난 바와 같이, 전술한 셀(10)은 연료(수소) 또는 공기(산소)가 흐를 수 있는 매니폴드 홀(22)이 형성된 셀 프레임(20)에 부착되어 지지된다. 이 셀 프레임(20) 또한 분리판(30)과 결착되어 단위 전지(100)를 형성한다. 상기 분리판(30)은 공기 및 연료가 분리하여 흐르도록 매니폴드 홀(34)이 구비되며, 셀(10)에 공기 또는 연료가 공급되도록 유로(34)가 형성된다. 한편, 상기 셀(10)과 분리판(30)의 사이에는 상호간의 전기적 접촉이 원활히 이루어질 수 있도록 집전체를 구비할 수 있다.
그러나, 상기 단위전지 하나에서 발생하는 전력은 상당히 작기 때문에, 도 3 및 4와 같이 여러 개의 단위 전지를 적층함으로써 스택(400)을 형성하여 연료전지(1000)를 제조해야만 한다. 도 3은 단위전지가 적층되는 모습을 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 4는 스택과 상부 및 하부 엔드판이 결합된 연료전지를 나타내는 모식도이다. 이와 같이, 단위전지(100)를 반복적으로 적층함으로써 전기적 직렬상태로 연결하여 고전압의 출력을 얻게 된다. 한편, 연료전지(1000) 제조시 스택(400)의 상하부에는 상당히 두꺼운 각각 상부 엔드판(200)과 하부 엔드판(300)이 구비되는데, 상기 엔드판은 스택 전체의 면압 유지와 가스공급을 위한 매니폴드 홀간을 연결하는 역할을 수행한다. 그러나, 이러한 상부 및 하부 엔드판은 연료전지 내에서 면압분포가 일정하지 못하게 한다. 즉, 스택의 상부 및 하부에 아주 두꺼운 엔드판이 배치됨으로 인해 스택 중간 부분에 위치한 단위 전지와 상부 및 하부 측에 위치한 단위 전지는 서로 다른 응력을 받게 되어 면압분포가 상이해진다. 이러한 면압분포의 차이는 상온에서 단위전지를 적층하여 스택을 형성할 때 뿐만 아니라 전처리 승온 과정과 수평 및 수직 방향으로 온도구배를 가지게 되는 운전시에 발생할 수 있다. 즉, 연료 전지 작동시에는 스택 상하부에 위치하는 분리판에 추가적인 압력이 걸리게 되며, 이는 장기운전이나 열사이클 과정에서 분리판 또는 셀에 무리한 압력을 가하게 되어 스택 안정성에 문제를 야기시킬 가능성이 높아지게 된다.
따라서, 본 발명에서는 상술한 문제점을 해결하기 위하여 신규한 구조를 갖는 고체산화물 연료전지를 제공한다. 본 발명은 일 실시형태로서, 상부 및 하부 엔드판; 상부 및 하부 엔드판 사이에 구비되는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택과 상부 및 하부 엔드판 사이에 구비되어 상기 스택 내 면압분포를 일정하게 하는 2개 이상의 더미 분리판; 및 상기 더미 분리판 사이에 구비되는 집전체를 포함하고, 상기 더미 분리판은 공기 투입 매니폴드 홀, 연료 투입 매니폴드 홀, 공기 배출 매니폴드 홀 및 연료 배출 매니폴드 홀을 구비하며, 상기 공기 투입 매니폴드 홀, 연료 투입 매니폴드 홀 및 공기 배출 매니폴드 홀은 상기 더미분리판 사이로 공기 및 연료가 유입되지 않도록 그 주위에 밀봉재가 구비되는 고체산화물 연료전지를 제공한다.
이하, 본 발명을 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 단위 전지의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명에 바람직하게 적용될 수 있는 단위전지(100')는 셀(10')과 이 셀(10')의 상하부에 분리판(30')이 구비된다. 또한, 상기 셀(10')과 분리판(30')의 전기적 연결이 원활하도록 공기극측과 연료극측에 각각 공기극 집전체(42')와 연료극 집전체(40')를 구비하는 것이 바람직하다. 상기 분리판(30')은 평판의 형태를 갖고, 이 위에 유로를 갖는 부재를 결합시킬 수도 있으나, 분리판(30') 자체를 가공하여 요철의 형태를 갖도록 함으로써, 분리판(30')이 유로를 가질 수도 있다. 상기 요철은 다양한 형태를 가질 수 있으며, 공기 또는 연료를 효과적으로 통과시킬 수 있는 형태라면 그 형태에 대하여 특별히 한정하지 않는다. 상기 집전체 또한 공기극과 연료극 각각에 대하여 효과적인 전기적 연결이 가능하며, 고온에서도 변형이 쉽게 일어나지 않아 고체산화물 연료전지에 바람직하게 적용될 수 있는 물질이라면 그 종류에 대하여 특별히 한정하지 않는다.
한편, 상기 단위 전지는 분리판(30')과 분리판(30') 또는 분리판(30')과 셀 프레임(20')을 연결하는 매니폴드 밀봉재(50')와, 셀 프레임(20')과 셀(10')간을 연결하는 셀 밀봉재(60')가 구비될 수 있으며, 상기 밀봉재는 공기와 연료가 혼합되지 않도록 하는 역할을 수행한다.
도 6은 본 발명에 따른 연료 전지의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명 연료 전지(1000')의 일 실시형태는 여러 개의 단위전지가 적층되어 스택을 형성하고, 상기 스택의 상하부에는 각각 상부 엔드판(200')과 하부 엔드판(300')이 결합된다. 본 발명의 연료전지는 상기 엔드판과 스택 사이에 하나 이상의 더미 분리판(500')이 구비되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 연료 전지 내에 더미 분리판을 구비함으로써, 스택 내에 작용하는 면압 집중 현상을 완화시켜 스택 안정성을 향상시킬 수 있다. 보다 상세하게는, 셀의 상부 및 하부가 상대적으로 두꺼운 엔드판과 직접 접촉하는 것을 피하고, 엔드판에 비하여 상대적으로 얇은 더미 분리판을 삽입시켜 셀과 접촉하도록 함으로써, 면압 분포를 일정하게 한다. 이러한 더미 분리판은 적어도 하나 이상 구비되는 것이 바람직하며, 그 수가 많을수록 보다 바람직하다. 다만, 과도하게 많을 경우에는 효과 대비 경제적이 떨어지게 되므로, 스택의 두께, 스택 내 단위 전지의 수, 분리판의 재질 등을 고려하여 적정 수의 더미 분리판을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 더미 분리판은 스택 내 분리판과 동일한 형태 또는 재질인 것이 바람직하다. 물론, 더미 분리판과 스택에 포함되는 분리판은 다른 형태를 가지거나 다른 재질일 수 있다. 그러나, 이와 같은 경우에는 연료전지 제조시 상기 분리판과 더미 분리판이 받는 하중이 상이할 수 있어 스택 안정성을 안정적으로 확보하기 곤란할 수 있다. 또한, 연료전지 가동시에는 높은 온도에 의해 열변형을 받게 되는데, 상기 분리판과 더미 분리판이 다른 형태이거나 다른 재질일 경우에는 그 변형량이 상이할 수 있으므로, 연료전지의 사용수명이 단축될 수 있다. 나아가, 상기 분리판과 더미 분리판을 각각 제조해야 하기 때문에, 생산성이 저하되고 제조 비용이 증가할 수 있는 단점이 있다. 따라서, 안정적인 스택안정성을 확보하고, 경제성을 향상시키기 위해서는 상기 분리판과 더미 분리판은 동일한 형태 또는 재질인 것이 바람직하다.
한편, 더미 분리판에는 분리판과 같이 셀 프레임을 구비시킬 수도 있으나, 이는 비용이 상승하게 되는 문제가 발생한다. 따라서, 도 6에 나타난 바와 같이, 상기 더미 분리판에는 셀 프레임을 구비시키지 않는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 연료전지에 삽입되는 상기 더미 분리판은 연료 전지의 구동을 위해 스택 내부에서 발생한 전기를 상부 및 하부 엔드판까지 직렬로 연결시켜 주어야 한다. 따라서, 상기 더미 분리판이 2개 이상일 경우에는 상기 더미 분리판 간의 전기적 접촉을 향상시킴과 동시에 기계적 접촉 안정성을 향상시키기 위하여, 상기 더미 분리판의 사이에 집전체(600')가 구비되는 것이 바람직하다.
상기 집전체의 재질에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 일반적으로 공기극 집전체의 경우에는 연료극 집전체에 비하여 전기적 특성이나 기계적 특성이 떨어질 뿐 아니라 경제적으로도 비용이 많이 소요된다. 따라서, 상기 집전체로는 연료극 집전체과 동일한 재질을 사용될 수 있으며, 대표적으로는 기계적 특성이 우수한 뿐만 아니라 가격경쟁력도 우수한 Ni-form과 같은 Ni계를 사용할 수 있다.
그러나, 상기 집전체는 산화가 쉽게 일어나는 단점이 있다. 따라서, 집전체가 구비되는 상기 더미 분리판 사이에는 공기가 유입되지 않도록 하거나, 환원분위기를 유지할 필요가 있다. 하지만, 공기가 유입되지 않도록 더미 분리판에 구비되는 매니폴드 홀의 주위를 밀봉재를 이용하여 완전 밀폐하는 경우에는 초기 적층단계에서 잔류하는 잔류산소로 인하여 산화가 발생할 수 있다. 또한, 상기 잔류산소로 인하여 더미 분리판 사이에 갇혀진 산소는 열이 가해질 경우 팽창하게 되어 더미 분리판의 변형을 초래할 수 있다. 환원분위기를 유지하기 위하여 수소를 포함하는 연료를 공급할 경우에는 상기 더미분리판 내에 셀이 구비되지 않으므로, 연료가 낭비되게 되는 문제가 있다. 즉, 연료가 반응에 참여하지 않게 되기 때문에 스택 전체의 연료 이용률이 낮아지게 되는 것이다.
따라서, 본 발명의 고체산화물 연료전지는 하기 설명하는 바와 같은 구성요소를 포함한다.
도 7은 본 발명 더미 분리판의 일례를 모식적으로 나타낸 평면도이다. 도 7에 나타난 바와 같이 본 발명에 적용되는 더미 분리판(500')은 공기 투입 매니폴드 홀(510'), 연료 투입 매니폴드 홀(520'), 공기 배출 매니폴드 홀(530') 및 연료 배출 매니폴드 홀(540')을 구비한다. 이 때, 더미 분리판(500') 사이에 산소가 침투되어 집전체가 산화되는 것을 방지하기 위하여, 상기 공기 투입 매니폴드 홀(510')과 공기 배출 매니폴드 홀(530')은 그 주위가 밀봉재(550')로 밀봉되는 것이 바람직하다. 또한, 연료의 낭비를 방지하기 위해서 상기 연료 투입 매니폴드 홀(520') 또한 그 주위가 밀봉재(550')로 밀봉되는 것이 바람직하다. 이 때, 투입되는 연료와 공기가 더미 분리판(500') 사이로 유입되는 것을 방지할 수 있다면 상기 밀봉재(550')의 형태와 재질 및 그 위치에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.
한편, 상기와 같이 밀봉되는 매니폴드 홀과는 다르게, 연료가 배출되는 매니폴드 홀 즉, 연료 배출 매니폴드 홀(540')은 그 주위에 밀봉재가 구비되지 않는 것이 바람직하다. 즉, 셀 내에 투입되어 반응한 뒤 배출되는 연료(수소)가 더미 분리판 사이로 유입되도록 하는 것이다. 이를 통해, 집전체가 구비되는 더미 분리판 사이의 공간은 환원 분위기를 형성하게 되어 연료 이용률의 저감없이도 집전체의 산화를 방지할 수 있다. 나아가, 상기 더미 분리판 사이의 공간은 밀폐되지 않고 개방되게 되므로 완전 밀폐에 따른 문제점을 해소할 수 있다.
10, 10' : 셀 12 : 연료극
14 : 전해질 16 : 공기극
20, 20' : 셀 프레임 22, 22a, 22b : 매니폴드
30, 30' : 분리판 32, 32a, 32b : 매니폴드
34 : 유로 40' : 연료극 집전체
42' : 공기극 집전체 50' : 매니폴드 밀봉재
60' : 셀 프레임 밀봉재 100, 100' : 단위 전지
200, 200' : 상부 엔드판 300, 300' : 하부 엔드판
400 : 스택 500' : 더미 분리판
510' : 공기 투입 매니폴드 홀 520' : 연료 투입 매니폴드 홀
530' : 공기 배출 매니폴드 홀 540' : 연료 배출 매니폴드 홀
550' : 밀봉재 600' : 집전체
1000, 1000' : 연료전지

Claims (4)

  1. 상부 및 하부 엔드판;
    상부 및 하부 엔드판 사이에 구비되는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택과 상부 및 하부 엔드판 사이에 구비되어 상기 스택 내 면압분포를 일정하게 하는 상기 상부 및 하부 엔드판보다 두께가 얇은 2개 이상의 더미 분리판; 및
    상기 더미 분리판 사이에 구비되는 집전체를 포함하고,
    상기 더미 분리판은 공기 투입 매니폴드 홀, 연료 투입 매니폴드 홀, 공기 배출 매니폴드 홀 및 연료 배출 매니폴드 홀을 구비하며,
    상기 공기 투입 매니폴드 홀, 연료 투입 매니폴드 홀 및 공기 배출 매니폴드 홀은 상기 더미분리판 사이로 공기 및 연료가 유입되지 않도록 그 주위에 밀봉재가 구비되고 연료 배출 매니폴드 홀에는 그 주위에 밀봉재가 구비되지 않는 고체산화물 연료전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 더미 분리판은 요철 형태인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 더미 분리판은 상기 스택에 포함된 분리판과 동일한 형태 또는 재질을 갖는 고체산화물 연료전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 집전체는 Ni계인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
KR1020110144357A 2011-12-28 2011-12-28 더미 분리판이 삽입된 고체산화물 연료전지 KR101372673B1 (ko)

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