KR101547125B1 - 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 스택은, 연료극 전극, 전해질, 및 공기극 전극을 구비하는 전극부; 상기 연료극 전극, 전해질, 및 공기극 전극이 순차적으로 코팅접합되며, 연료가스가 통과하는 금속지지부; 및 상기 공기극 전극이 접하도록 상기 전극부 상에 별도로 배치되며, 공기가스가 통과하는 공기극 집전체;를 포함하는 단위전지가 밀봉재 없이 복수 개가 적층되어, 상기 단위전지들끼리 서로 비부착되어 각각의 상기 단위전지가 개별적으로 교체가능하다.
이와 같이 본 발명은, 전극부와 상기 전극부가 코팅된 평관지지체, 및 공기극 집전체가 하나의 단위전지를 이루도록 구성됨으로써, 단위전지들이 밀봉재 없이도 복수 개가 적층되어 스택구조를 구현할 수 있으며, 나아가 단위전지들이 복수 개 적층 시 양측의 연료가스 매니폴드 사이에서 삽입 및 탈거가 용이하게 이루어짐으로써, 결과적으로 단위전지들끼지 서로 비부착되어 각각의 단위전지가 개별적으로 교체될 수 있다.
이에 따라, 연료전지 스택이 운전 중 이상거동을 하는 경우, 손상된 단위전지만을 탈거하여 새로운 단위전지로 교체할 수 있음으로써, 일부의 손상된 단위전지에 의해 전체 연료전지 스택을 폐기할 필요가 없기 때문에 비용적인 측면에서 효율적인 장점을 지닌다.

Description

연료전지 스택{Fuel cell stack}
본 발명은 연료전지 스택으로서, 손상된 단위전지만을 탈거하여 새로운 단위전지로 교체하기 위해도록, 단위전지들이 밀봉재 없이도 복수 개가 적층되어 스택구조를 구현하도록, 전극부, 상기 전극부가 코팅된 평관지지체, 및 공기극 집전체가 하나의 단위전지를 이루도록 구성되는 연료전지 스택에 관한 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 연료전지 스택을 나타낸 개념도이다.
도면을 참조하면, 고체산화물 연료전지는 산소이온 전도성을 갖는 전해질(2)(3)과 그 양면에 위치한 공기극 전극(3) 및 연료극 전극(1)으로 이루어져 있으며, 공기극 전극(3)에 공기가스(12)로서 산소와 연료극 전극(1)에 연료가스(11)로서 수소를 각각 공급하면, 공기극 전극(3)에서 산소의 환원반응을 통해 생성된 산소이온이 전해질(2)을 지나 연료극 전극(1)으로 이동한 후, 연료극 전극(1)에 공급된 수소와 반응하여 물을 형성하게 된다.
여기에서, 연료극 전극(1)에서 생성된 전자가 공기극 전극(3)으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부회로로 전자가 흐르게 되며, 이를 이용하여 전기에너지를 생산한다. 이때, 고체산화물 연료전지에서 일어나는 화학반응은 수소와 산소가 만나 물이 되는 반응과 동일하다.
한편, 연료극 전극(1), 전해질(2), 공기극 전극(3)으로 이루어진 연료전지를 단위전지라고 하며, 1개의 단위전지가 생산하는 전기에너지의 양은 매우 제한적이기 때문에 연료전지를 발전에 활용하기 위해서는 단위전지를 여러 개 쌓아 놓은 형태인 스택 구조의 형성이 불가피하다.
스택 구조를 이루는 각각의 단위전지를 연결할 때, 연료극 전극(1)과 공기극 전극(3)을 전기적으로 연결하면서 기체의 혼합을 막기 위해 설치되는 구조가 분리판(4)이다. 또한, 최하측과 최상측에는 하부 엔드판(8)과 상부 엔드판(9)이 구성된다.
여기에서, 연료전지 스택을 구성하기 위해 반복적으로 설치되는 기본 단위인 분리판(4), 연료극 전극(1), 전해질(2), 공기극 전극(3)을 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 구성요소라고 부른다. 이러한 구성요소들이 먼저 하나의 단위전지를 형성하고, 여러 개의 단위전지가 반복적으로 적층되어 하나의 연료전지 스택이 만들어진다.
상기와 같은 연료전지 스택에 있어서, 응력이 발생하는 경우 구성요소 중 가장 약한 부분으로서 세락믹으로 이루어진 전극부(연료극 전극(1), 전해질(2), 공기극 전극(3))에 응력이 집중됨으로써 깨짐이 발생하는 등 손상이 발생하게 된다.
이에 따라 손상된 단위전지는 운전 중 이상거동을 하게 되는데, 이와 같이 손상된 단위전지를 연료전지 스택에서 선택적으로 제거, 교체할 수 없기 때문에 복수 개의 단위전지로 이루어진 연료전지 스택을 폐기해야 하는 한계점이 있다.
즉, 연료전지 스택에서 복수 개의 단위전지들은 밀봉재에 의해 서로에 대해 견고하게 부착된 구조를 취함으로써, 정상적인 단위전지 사이에서 고장난 단위전지만을 개별적으로 분리탈거 할 수 없기 때문에, 일부 단위전지만이 손상된 연료전지 스택도 버려야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 손상된 단위전지만을 탈거하여 새로운 단위전지로 교체하기 위해도록, 단위전지들이 밀봉재 없이도 복수 개가 적층되어 스택구조를 구현하도록, 전극부, 상기 전극부가 코팅된 평관지지체, 및 공기극 집전체가 하나의 단위전지를 이루도록 구성되는 연료전지 스택을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택은, 연료극 전극, 전해질, 및 공기극 전극을 구비하는 전극부; 상기 연료극 전극, 전해질, 및 공기극 전극이 순차적으로 코팅접합되며, 연료가스가 통과하는 금속지지부; 및 상기 공기극 전극이 접하도록 상기 전극부 상에 별도로 배치되며, 공기가스가 통과하는 공기극 집전체;를 포함하는 단위전지가 밀봉재 없이 복수 개가 적층되어, 상기 단위전지들끼리 서로 비부착되어 각각의 상기 단위전지가 개별적으로 교체가능하다.
구체적으로, 상기 금속지지부는, 일면에 상기 연료극 전극이 코팅되며, 평평한 관 구조로서 관 내부를 연료가스가 유동하는 평관지지체; 및 상기 평관지지체 내의 연료가스 균일유동과 상기 평관지지체의 평관형상 유지를 위해, 상기 평관지지체 내에 삽입체결된 금속메쉬;를 구비할 수 있다.
여기에서, 상기 평관지지체는, 상기 연료극 전극과 접하며, 상기 전극부에서 전기화학반응이 일어나도록 연료가스가 통과하는 기공이 형성된 기공형성부재; 및 연료가스의 누출 및 외부가스의 유입을 차단하도록, 상기 기공형성부재의 양단부에 접합하면서 상기 금속메쉬를 감싸는 밀폐부재;를 구비할 수 있다.
이때, 상기 금속지지부는, 노출된 상기 연료극 전극의 단부를 통한 연료가스의 누출을 차단하도록, 상기 전해질 또는 밀폐부재로부터 연장되어 상기 연료극 전극의 단부를 감싸는 밀봉부가 형성될 수 있다.
한편, 상기 금속메쉬는 두께가 300㎛~2000㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속메쉬는 니켈 재질로 이루어진 것이 바람직하다.
아울러, 상기 공기극 집전체는 은메쉬(Ag-mesh) 또는 은폼(Ag-foam)으로 이루어진 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명은 상기 평관지지체의 관 내부와 연통되도록, 적층된 복수 개의 상기 단위전지의 양측부에 각각 배치된 연료가스 매니폴드;를 더 포함하며, 상기 연료가스 매니폴드에는 상기 단위전지의 양측부가 끼움되는 가이드홈이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 스택은, 전극부와 상기 전극부가 코팅된 평관지지체, 및 공기극 집전체가 하나의 단위전지를 이루도록 구성됨으로써, 단위전지들이 밀봉재 없이도 복수 개가 적층되어 스택구조를 구현할 수 있으며, 나아가 단위전지들이 복수 개 적층 시 양측의 연료가스 매니폴드 사이에서 삽입 및 탈거가 용이하게 이루어짐으로써, 결과적으로 단위전지들끼지 서로 비부착되어 각각의 단위전지가 개별적으로 교체할 수 있는 효과를 가진다.
이에 따라, 본 발명은 연료전지 스택이 운전 중 이상거동을 하는 경우, 손상된 단위전지만을 탈거하여 새로운 단위전지로 교체할 수 있음으로써, 일부의 손상된 단위전지에 의해 전체 연료전지 스택을 폐기할 필요가 없기 때문에 비용적인 측면에서 효율적인 장점을 지닌다.
도 1은 종래기술에 따른 연료전지 스택을 나타낸 개념도이다.
도 2(a)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택에서 전극부가 코팅된 평관지지체를 나타낸 평면도이고, 도 2(b)는 도 2(a)에서 전극부가 코팅된 평관지지체를 나타낸 측면도이다.
도 3(a)는 도 2(b)에서 A를 나타낸 확대도이고, 도 3(b)는 도 2(b)에서 B를 나타낸 확대도이다.
도 4(a)는 도 2(a)에서 전극부가 코팅된 평관지지체의 양측에 연료가스 매니폴드가 설치된 것을 나타낸 평면도이고, 도 4(b)는 도 4(a)에서 양측의 연료가스 매니폴드 사이에 배치된 복수 개의 단위전지로부터 하나의 단위전지가 탈거된 것을 나타낸 정면도이다.
본 발명의 연료전지 스택은, 손상된 단위전지만을 탈거하여 새로운 단위전지로 교체하기 위해도록, 단위전지들이 밀봉재 없이도 복수 개가 적층되어 스택구조를 구현하도록, 전극부, 상기 전극부가 코팅된 평관지지체, 및 공기극 집전체가 하나의 단위전지를 이루도록 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2(a)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택에서 전극부가 코팅된 평관지지체를 나타낸 평면도이고, 도 2(b)는 도 2(a)에서 전극부가 코팅된 평관지지체를 나타낸 측면도이다.
또한, 도 3(a)는 도 2(b)에서 A를 나타낸 확대도이고, 도 3(b)는 도 2(b)에서 B를 나타낸 확대도이다.
도면을 참조하면, 본 발명은 연료극 전극(110), 전해질(120), 및 공기극 전극(130)을 구비하는 전극부(100), 상기 전극부(100)를 지지하는 금속지지부(200), 및 상기 공기극 전극(130)에 접하는 공기극 집전체(300)를 포함한다.
여기에서, 상기 전극부(100)는 세라믹 재질로 이루어진 연료극 전극(110), 전해질(120), 공기극 전극(130)이 코팅접합방식으로 서로 접합된다. 이때, 상기 연료극 전극(110)은 상기 금속지지부(200)에 코팅접합되어 전해질(120), 공기극 전극(130)이 순차적으로 코팅되며, 이때 코팅접합은 스크린프린팅 등 여러 가지 방법으로 코팅접합될 수 있다.
또한, 상기 금속지지부(200)는 전극부(100)가 접합되며, 연료가스가 내부를 통과하도록 구성되는데, 전극부(100)의 연료극 전극(110)과 접하는 전기적인 연결체로서 연료극 집전체로서의 역할을 수행한다.
구체적으로, 상기 금속지지부(200)는 평평한 관 구조인 평관지지체(210)와, 상기 평관지지체(210) 내에 체결된 금속메쉬(220)를 구비할 수 있다.
여기에서, 상기 평관지지체(210)는 일면에 연료극 전극(110)이 코팅되며, 평평한 관 구조로서 관 내부를 연료가스가 유동하도록 구성된다. 즉, 상기 평관지지체(210)는 얇고 긴 관 내부를 가진 장방형의 튜브로서 이러한 관 내부를 통해 연료가스가 유동된다.
이와 같은 평관지지체(210)는, 연료극 전극(110)과 접하는 기공형성부재(211)와, 상기 기공형성부재(211)의 양단부에 접하는 밀폐부재(212)를 구비할 수 있다.
이때, 상기 기공형성부재(211)는 연료극 전극(110)과 접하면서 상기 전극부(100)에서 전기화학반응이 일어나도록 연료가스가 통과하는 기공이 형성된다. 아울러, 상기 밀폐부재(212)는 연료가스의 누출 및 외부가스의 유입을 차단하도록, 기공형성부재(211)의 양단부에 접합하면서 금속메쉬(220)를 감싸는 구조를 이룬다.
이와 같은 상기 기공형성부재(211)는 도면에 도시된 바와 같이 연료극 전극(110)과 접하는 평판형 구조를 이루며, 상기 밀폐부재(212)는 기공형성부재(211)와 연결되되 기공형성부재(211)와 일정간격 이격되어 평행하게 배치될 수 있도록 양단부가 절곡된 구조를 취할 수 있다.
이와 더불어, 상기 금속지지부(200)는 노출된 상기 연료극 전극(110)의 단부를 통한 연료가스의 누출을 차단하도록, 상기 전해질(120) 또는 밀폐부재(212)로부터 연장되어 연료극 전극(110)의 단부를 감싸는 밀봉부(230)가 형성될 수 있다. 일례로서, 상기 밀봉부(230)는 도면에 도시된 바와 같이 전해질(120)로부터 연장되어 형성된다.
그리고, 상기 금속메쉬(220)는 평관지지체(210) 내의 연료가스 균일유동과 평관지지체(210)의 평관형상 유지를 위해, 평관지지체(210) 내에 삽입체결될 수 있다.
이러한 금속메쉬(220)는 기본적으로 평관지지체(210)의 관 내부, 기공형성부재(211)와 밀폐부재(212) 사이의 이격된 틈을 통해 연료가스가 통과할 수 있도록, 기공형성부재(211)와 밀폐부재(212) 사이의 이격된 틈에 삽입되어 이격거리를 유지할 수 있게 한다.
아울러, 상기 금속메쉬(220)는 평관지지체(210)의 관 내부를 통과하는 연료가스에 대해 최대한 간섭되지 않도록 메쉬구조를 이루는 것이 바람직하다.
이때, 상기 금속메쉬(220)는 일정 두께로 지니는데 금속메쉬(220)가 기공형성부재(211)와 밀폐부재(212) 사이의 이격된 틈에 거의 억지끼움되기 때문에, 이러한 금속메쉬(220)의 두께는 기공형성부재(211)와 밀폐부재(212) 사이의 이격된 틈인 평관지지체(210)의 관 두께와 대응된다.
이와 같은 금속메쉬(220)는 두께가 300㎛~2000㎛인 것이 바람직한데, 300㎛보다 작은 경우에는 기공형성부재(211)와 밀폐부재(212) 사이의 이격된 틈이 너무 작게 되어 압력이 걸리게 됨으로서 필요한 연료가스의 원활한 유동공급이 이루어지지 않게 되며, 2000㎛보다 큰 경우에는 기공형성부재(211)와 밀폐부재(212) 사이의 이격된 틈을 통과하는 연료가스의 이용율이 떨어지게 되어 결과적으로 발전효율이 떨어지게 된다.
나아가, 상기 금속메쉬(220)는 연료가스 분위기에서 안정적인 니켈 재질로 이루어진 것이 더욱 바람직하다.
한편, 상기 공기극 집전체(300)는 공기가스가 통과하는 부분으로서, 공기극 전극(130)이 접하도록 전극부(100) 상에 별도로 배치될 수 있다. 이러한 공기극 집전체(300)는 은메쉬(Ag-mesh) 또는 은폼(Ag-foam)으로 이루어진 것이 바람직하다.
상기와 같이 본 발명은 전극부(100)와 상기 전극부(100)가 코팅된 평관지지체(210), 및 공기극 집전체(300)가 하나의 단위전지를 이루도록 구성됨으로써, 단위전지들이 밀봉재 없이도 복수 개가 적층되어 스택구조를 구현할 수 있다.
즉, 일반적인 연료전지 스택은 분리판의 상,하측에 배치된 전극부(100)가 밀봉재에 의해 분리판에 부착결합됨으로써 전체적으로 체결고정된 구조를 이루는데, 이로 인하여 손상된 단위전지만을 탈거하여 새로운 단위전지로 교체할 수 없는데, 본 발명은 단위전지들끼지 서로 비부착되어 각각의 단위전지가 개별적으로 교체될 수 있다.
도 4(a)는 도 2(a)에서 전극부(100)가 코팅된 평관지지체(210)의 양측에 연료가스 매니폴드가 설치된 것을 나타낸 평면도이고, 도 4(b)는 도 4(a)에서 양측의 연료가스 매니폴드 사이에 배치된 복수 개의 단위전지로부터 하나의 단위전지가 탈거된 것을 나타낸 정면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명은 상기와 같이 전극부(100), 금속지지부(200), 및 공기극 집전체(300)를 포함하는 단위전지가 복수 개 적층되어 스택구조를 이루는 경우, 적층된 복수 개의 단위전지의 양측부에 각각 배치되면서 평관지지체(210)의 관 내부와 연통되는 연료가스 매니폴드(400)를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 연료가스 매니폴드(400)는 공급되는 연료가스(11)가 유동되는 통로로서, 각 층의 단위전지에서 평관지지체(210) 내부인 금속지지체로 유입될 수 있도록 평관지지체(210) 내부와 연통된 구조를 취한다. 참고로, 공기가스(12)는 도면에 도시된 바와 같이 연료가스의 유동층(금속메쉬, 도 3의 220)과는 다른 공기극 집전체(300)에서 연료가스(11)의 방향에 대해 수직방향으로 유동한다.
이러한 연료가스 매니폴드(400)는 적층된 복수 개의 단위전지의 양측부에 각각 배치되는데, 각 층의 단위전지가 원활하게 삽입되고 빠질 수 있도록 단위전지의 양측부가 끼움되는 가이드홈(400a)이 형성될 수 있다. 이와 같은 가이드홈(400a)은 양측의 연료가스 매니폴드(400)에 있어서 단위전지와 대면하는 일 측면에 형성되며, 평관지지체(210)와 대응되는 높이로 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은, 전극부(100)와 상기 전극부(100)가 코팅된 평관지지체(210), 및 공기극 집전체(300)가 하나의 단위전지를 이루도록 구성됨으로써, 단위전지들이 밀봉재 없이도 복수 개가 적층되어 스택구조를 구현할 수 있으며, 나아가 단위전지들이 복수 개 적층 시 양측의 연료가스 매니폴드(400) 사이에서 삽입 및 탈거가 용이하게 이루어짐으로써, 결과적으로 단위전지들끼지 서로 비부착되어 각각의 단위전지가 개별적으로 교체될 수 있다.
이에 따라, 연료전지 스택이 운전 중 이상거동을 하는 경우, 손상된 단위전지만을 탈거하여 새로운 단위전지로 교체할 수 있음으로써, 일부의 손상된 단위전지에 의해 전체 연료전지 스택을 폐기할 필요가 없기 때문에 비용적인 측면에서 효율적인 장점을 지닌다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
11 : 연료가스 12 : 공기가스
100 : 전극부 110 : 연료극 전극
120 : 전해질 130 : 공기극 전극
200 : 금속지지부 210 : 평관형 지지체
211 : 기공형성부재 212 : 밀폐부재
220 : 금속메쉬 230 : 밀봉부
300 : 공기극 집전체 400 : 연료가스 매니폴드
400a : 가이드홈

Claims (8)

  1. 연료극 전극(110), 전해질(120), 및 공기극 전극(130)을 구비하는 전극부(100);
    상기 연료극 전극(110), 전해질(120), 및 공기극 전극(130)이 순차적으로 코팅접합되며, 연료가스가 통과하는 금속지지부(200); 및
    상기 공기극 전극(130)이 접하도록 상기 전극부(100) 상에 별도로 배치되며, 공기가스가 통과하는 공기극 집전체(300);를 포함하는 단위전지가 밀봉재 없이 복수 개가 적층되어,
    상기 단위전지들끼리 서로 비부착되어 각각의 상기 단위전지가 개별적으로 교체가능한 연료전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속지지부(200)는,
    일면에 상기 연료극 전극(110)이 코팅되며, 평평한 관 구조로서 관 내부를 연료가스가 유동하는 평관지지체(210); 및
    상기 평관지지체(210) 내의 연료가스 균일유동과 상기 평관지지체(210)의 평관형상 유지를 위해, 상기 평관지지체(210) 내에 삽입체결된 금속메쉬(220);
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 평관지지체(210)는,
    상기 연료극 전극(110)과 접하며, 상기 전극부(100)에서 전기화학반응이 일어나도록 연료가스가 통과하는 기공이 형성된 기공형성부재(211); 및
    연료가스의 누출 및 외부가스의 유입을 차단하도록, 상기 기공형성부재(211)의 양단부에 접합하면서 상기 금속메쉬(220)를 감싸는 밀폐부재(212);
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 금속지지부(200)는,
    노출된 상기 연료극 전극(110)의 단부를 통한 연료가스의 누출을 차단하도록, 상기 전해질(120) 또는 밀폐부재(212)로부터 연장되어 상기 연료극 전극(110)의 단부를 감싸는 밀봉부(230)가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 금속메쉬(220)는 두께가 300㎛~2000㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 금속메쉬(220)는 니켈 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공기극 집전체(300)는 은메쉬(Ag-mesh) 또는 은폼(Ag-foam)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평관지지체(210)의 관 내부와 연통되도록, 적층된 복수 개의 상기 단위전지의 양측부에 각각 배치된 연료가스 매니폴드(400);를 더 포함하며,
    상기 연료가스 매니폴드(400)에는 상기 단위전지의 양측부가 끼움되는 가이드홈(400a)이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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