KR101751102B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

자가 발열 단실형 연료전지 시스템이 개시된다. 이는 챔버를 제공하는 바디와, 챔버 내에 배치된 막전극접합체와, 챔버 내에 수용되는 연료와, 챔버의 내벽에 배치되어 연료와의 촉매반응에 의해 발열되는 자가 발열부를 포함한다. 자가 발열부는 유리 섬유와 그 표면의 복수 지점에 형성된 귀금속 촉매 물질을 포함하며, 연료의 탄화수소 계열 물질과 귀금속 촉매 물질의 촉매반응에 의해 발열함으로써 작동을 위한 시동온도를 제공한다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자가 발열이 가능한 단실형 고체 산화물 연료전지 시스템에 관한 것이다.
에너지 수급의 대안으로 각광받고 있는 연료전지, 그 중에서도 고체 산화물 연료전지는 전해질로 이온 전도성을 띄는 고체 산화물을 사용하며, 고효율, 연료 범용성, 내구성 등의 장점을 지닌다. 그러나 고체 산화물 연료전지는 일반적으로 800-1000℃의 고온에서 작동하여 열적 불안정성을 초래하며 소형 및 휴대용 기기에 적용하기가 쉽지 않다. 따라서 열적 불안정성 문제를 해결하기 위한 고체 산화물 연료전지의 작동온도를 낮추는 연구가 꾸준히 진행되고 있다.
그 연구성과로서 전해질의 두께를 박막으로 가져가 저온에서도 충분한 이온 전도도를 확보하여 기존 작동온도의 절반 정도로 감소한 400-500℃에서 작동하는 저온형 고체 산화물 연료전지가 연구된 바 있다. 이처럼 박막을 이용하는 저온형 고체 산화물 연료전지의 경우에는 전해질의 두께를 나노미터 단위로 얇게 가져가기 때문에 연료전지 막전극접합체가 기계적으로 파손될 우려가 있다. 이를 극복하기 위한 수단으로써 산화극, 환원극 등 막전극접합체의 구성요소 중 일부를 후막으로 배치하여 지지체로 활용하는 방법, anodic aluminum oxide(AAO) 등의 다공성 박막 지지체 등을 이용하는 방법 등이 연구되고 있다.
또한 상대적으로 저온에서 구동할 수 있는 고체 산화물 연료전지라 하더라도 상당히 고온 환경에서 작동하기 때문에 연료전지의 시동(start up)은 고체 산화물 연료전지에 있어 주요 고려사항 중 하나이다. 연료전지 구동을 위해 작동 온도까지 승온을 시켜주는 방법으로써 촉매 연소기(catalytic burner)등을 이용한다. 이와 관련해 최근 개발된 자가 발열 기술은 탄화수소 계열의 연료와 귀금속 계열 물질의 촉매 반응에 의해 상온에서 별도의 점화 없이 발열이 시작되어 보다 손쉬운 시동을 가능하게 한다.
한국특허공개 10-2008-0093055
본 발명은 자가 발열이 가능한 고체 산화물 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명은 고체 산화물 연료전지의 연료 범용성을 이용해 탄화수소-산화제 혼합기를 공급하는 단실형 고체 산화물 연료전지의 시스템을 제공한다.
본 발명은 유리 섬유와 그 표면에 다수개의 섬 형태로 형성된 귀금속 촉매 물질을 이용하여 비교적 용이한 방법으로 제조될 수 있는 자가 발열부를 가지는 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명은 연료전지 시스템을 제공하며, 이는: 챔버를 제공하는 바디(body); 상기 챔버 내에 배치된 막전극접합체; 상기 챔버 내에 수용되는 연료; 및 상기 챔버의 내벽에 배치되어 상기 연료와의 촉매반응에 의해 발열되는 자가 발열부;를 포함한다.
상기 연료는 탄화수소 계열의 물질과 산화물의 혼합을 포함하는 것일 수 있다.
상기 막전극접합체는 고체 전해질과, 상기 고체 전해질의 양면에 각각 배치된 산화극 및 환원극을 포함한다.
상기 산화극은 상기 연료의 탄화수소 계열 물질의 CxHy + zO2 ↔ aH2 + bCO 개질 반응을 위한 Ni을 포함할 수 있다.
또는 상기 산화극은 상기 연료의 탄화수소 계열 물질의 CxHy + zO2 ↔ aH2 + bCO 개질 반응을 위한 Pt, Pd, Ru, 또는 Rh의 귀금속을 포함할 수 있다.
상기 산화극은 상기 막전극접합체의 지지체 역할을 하도록 상기 환원극 또는 상기 전해질보다 두꺼울 수 있다.
상기 전해질은 이트륨 또는 스칸듐이 도핑(doping)된 지르코니아, 또는 가돌리늄, 란타늄, 사마륨, 이르테븀 및 네오디뮴 중 1 종 이상이 도핑된 세리아로 이루어질 수 있다.
상기 환원극은 LSM(Lanthan Strontium Mangan Oxide), LSCF(Lanthan Strontium Cobalt Ferrum Oxide), 또는 SSC(Samarium Strontium Cobalt Oxide)의 페로브스카이트(perovskite) 구조를 지니는 산화물질로 이루어질 수 있다.
상기 자가 발열부는 쿼츠(quartz) 및 Pt, Pd, Ru, 또는 Rh의 귀금속 물질을 포함할 수 있다.
상기 쿼츠는 유리 섬유이고, 상기 귀금속 물질은 상기 유리 섬유 표면의 복수 지점에 각각 형성된 다수개의 섬 형태일 수 있다.
본 발명에 따르면, 자가 발열이 가능한 고체 산화물 연료전지 시스템이 제공된다. 이러한 연료전지 시스템에서는 자가 발열부가 챔버의 내벽에 배치되어 연료의 탄화수소 계열 물질의 개질 반응을 통해 고체 산화물 연료전지의 시동 온도를 제공한다. 자가 발열부는 유리 섬유와 그 표면 복수 지점에 귀금속 촉매 물질을 증착하는 비교적 용이한 방식으로 구현될 수 있다. 또한 본 발명은 산화극을 두껍게 하여 기계적 강성을 확보하고, 원자막 증착법, 스퍼터링 등의 방법을 이용하여 전해질 두께를 nm 단위의 초박막으로 형성함으로써 옴 손실을 최소화한 고성능의 연료전지를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 2 및 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 연료전지 시스템에 채용되는 자가 발열부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 연료전지 시스템을 주요 반응을 설명하기 위해 도시한 막전극접합체에 관한 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
먼저 간략히 설명하면, 본 발명은 자가 발열이 가능한 고체 산화물 연료전지 시스템에 관한 것이다. 이러한 고체 전해질 연료전지 시스템은 단실형 구조로서 범용 연료와 챔버 내벽에 배치된 자가 발열부의 촉매반응에 의해 발생하는 자가 발열에 의해 외부 승온 장치나 점화 장치 없이도 구동할 수 있다. 연료의 탄화수소 계열과 촉매반응을 일으키는 자가 발열부는 쿼츠와 귀금속 촉매 물질을 포함한다. 더 바람직하게는 자가 발열부가 유리 섬유와 그 표면의 복수의 지점에 섬 형태로 증착된 귀금속 촉매를 포함할 수 있다. 이러한 형태의 유리 섬유 복수개가 챔버의 내벽에 부착되는 방식으로 자가 발열부를 구현할 수 있다. 따라서 본 발명의 연료전지 시스템에 채용되는 자가 발열부는 매우 용이한 방식으로 제조되는 심플한 구성이 된다, 또한, 산화극을 상대적으로 환원극과 전해질보다 두껍게 형성하여 지지체로 활용함으로써 전해질을 매우 박막으로 형성할 수 있게 되어 옴 손실이 최소화된 고성능 연료전지가 구현된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다. 도 1에서는 이해의 편의를 돕기 위해 바디(body)의 일부를 절개하고 막전극접합체의 외부 연결 도선 등을 생략하였다. 도 2와 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 2는 횡방향의 단면도이고, 도 3은 종방향의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템은 챔버(11)를 제공하는 바디(1)와, 챔버(11) 내에 배치된 막전극접합체(2)와, 챔버(11) 내에 도입/수용되는 연료와, 챔버(11)의 내벽에 배치되어 연료와의 촉매반응에 의해 발열되는 자가 발열부(3)를 포함한다.
도면에 도시한 예에서와 같이 바디(1)는 관형일 수 있고, 바디(1)에 의해 그 내부에 챔버(11)가 제공된다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 적용되는 연료전지 시스템은 단실형으로 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 챔버(11)의 내벽에는 자가 발열부(3)가 배치된다. 자가 발열부(3)는 예를 들어 쿼츠(quartz)와 귀금속 촉매 물질을 포함한다. 귀금속 촉매 물질은 예컨대 Pt, Pd, Ru, 또는 Rh일 수 있다.
바람직하게 도 3에서 보이는 바와 같이 본 발명에 채용되는 자가 발열부(3)는 유리 섬유(31)와 그 표면에 복수 지점에 형성된 섬(island) 형태의 귀금속 촉매 물질(32)로 이루어질 수 있다. 이는 도 3에서 보이는 바와 같이 귀금속 촉매 물질(32)이 표면에 형성된 유리 섬유(31) 복수개가 관형 바디(1)의 내벽면에 배치되는 형태로 제공된다. 또한, 자가 발열부(3)가 내벽면에 전체에 걸쳐서 배치되거나 일부분에 배치될 수 있다. 또한 도 3에서 도시한 바와 같은 유리 섬유가 1겹으로 배치되거나 복수의 겹으로 배치될 수 있다.
도 4는 도 3에서의 개별 유리 섬유(31)와 그 표면에 형성된 귀금속 촉매 물질(32)을 보여준다. 이는 상술한 바와 같이, 귀금속 촉매 물질의 나노 파티클이 유리 섬유의 표면의 복수 지점에 형성된 형태를 가질 수 있다. 따라서 적절한 정도의 귀금속 물질의 섬 형태를 형성한 자가 발열부(3)를 제공할 수 있다. 이와 같이 표면에 적적할 수의 섬형태로 증착된 귀금속 촉매 물질(32)을 가지는 복수의 유리 섬유(31)들이 도 3에서와 같은 형태로 챔버(11)의 내벽에 부착되어 자가 발열부(3)로 역할을 수행할 수 있다.
챔버(11) 내에는 산화극(21), 전해질(22), 및 환원극(23)을 포함하는 막전극접합체(2)가 배치되며, 이에 대해서는 아래에서 상세하게 설명한다.
챔버(11) 내부에 수용되는 연료는 탄화수소 계열의 물질과 산화물을 포함하는 것일 수 있다. 도면에서와 같이 연료는 바디(1)의 일측에서 도입되어 타측으로 배출될 수 있다. 본 발명의 시스템에 이용되는 연료는 발열과 연료 전지 구동을 위한 것으로서 범용 연료가 적용될 수 있다. 탄화수소 계열의 물질은 예컨대 메탄(methane), 에탄(ethane), 프로판(propane), 부탄(butane) 등일 수 있다.
따라서, 본 발명의 시스템에서는 상술한 자가 발열부(3)의 귀금속 촉매 물질(32)과 탄화수소 계열의 물질이 촉매반응을 일으켜서 발열하게 된다. 유리 섬유(31)는 보온 역할도 수행할 수 있다.
막전극접합체(2)는 상술한 바와 같이 고체 전해질(22)과, 고체 전해질(22)의 양면에 각각 배치된 산화극(21) 및 환원극(23)을 포함한다.
산화극(21)은 연료 투과성을 갖고 전자 전도가 가능한 금속층을 포함한다.
또한 산화극(21)은 연료의 탄화수소 계열 물질의 CxHy + zO2 ↔ aH2 + bCO 개질 반응을 위한 Ni을 포함할 수 있다. 또는 산화극(21)은 연료의 탄화수소 계열 물질의 CxHy + zO2 ↔ aH2 + bCO 개질 반응을 위한 Pt, Pd, Ru, 또는 Rh의 귀금속을 포함할 수 있다.
또한, 산화극(21)은 막전극접합체(2)의 지지체 역할을 하도록 환원극(23) 또는 전해질(22)보다 두꺼울 수 있다. 이를테면, 산화극(21)은 100㎛ 이상일 수 있다.
전해질(22)은 산소 이온 전도가 가능한 고체 산화물 세라믹 이트륨 또는 스칸듐이 도핑(doping)된 지르코니아, 또는 가돌리늄, 란타늄, 사마륨, 이르테븀 및 네오디뮴 중 1 종 이상이 도핑된 세리아로 이루어질 수 있다. 또한 전해질(22)은 예를 들어 약 1㎛ 이하의 두께를 가지는 박막일 수 있다. 이렇게 전해질(22)이 충분히 박막이기 때문에 기존의 자가 발열식 연료전지보다 시동온도가 상대적으로 낮을 수 있다.
환원극(23)은 연료 투과성을 갖고 전자 전도가 가능한 금속층을 포함한다. 예를 들어 환원극(23)은 LSM(Lanthan Strontium Mangan Oxide), LSCF(Lanthan Strontium Cobalt Ferrum Oxide), 또는 SSC(Samarium Strontium Cobalt Oxide)의 페로브스카이트(perovskite) 구조를 지니는 산화물질로 이루어질 수 있다.
도 5는 본 발명의 연료전지 시스템을 주요 반응을 설명하기 위해 도시한 막전극접합체(2)에 관한 도면이다. 챔버(11) 내에서 막전극접합체(2)는 탄화수소 계열 물질과 산화물을 포함하는 연료가 도입되어 탄화수소 계열 물질과 자가 발열부의 촉매반응에 의해 연료전지 시동온도가 제공되면 도 5에 나타낸 바와 같은 반응을 일으키면서 전기를 생산한다.
도 2에서 미설명 도면부호 4는 부하를 나타낸다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
1: 바디 2: 막전극접합체 3: 자가 발열부
4: 부하 11: 챔버 21: 산화극
22: 전해질 23: 환원극 31: 유리 섬유
32: 귀금속 촉매 물질

Claims (10)

  1. 연료전지 시스템으로서:
    챔버를 제공하는 바디;
    상기 챔버 내에 배치된 막전극접합체;
    상기 챔버 내에 수용되는 연료; 및
    상기 챔버의 내벽에 배치되어 상기 연료와의 촉매반응에 의해 발열되는 자가 발열부;를 포함하고,
    상기 자가 발열부는 복수의 유리섬유와 상기 복수의 유리섬유 표면의 복수 지점에 귀금속 촉매 물질로 각각 형성된 다수개의 섬 형태를 포함하는 것인, 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료는 탄화수소 계열의 물질과 산화물의 혼합을 포함하는 것인, 연료전지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 막전극접합체는 고체 전해질과, 상기 고체 전해질의 양면에 각각 배치된 산화극 및 환원극을 포함하는 것인, 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 산화극은 상기 연료의 탄화수소 계열 물질의 CxHy + zO2 ↔ aH2 + bCO 개질 반응을 위한 Ni을 포함하는 것인, 연료전지 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 산화극은 상기 연료의 탄화수소 계열 물질의 CxHy + zO2 ↔ aH2 + bCO 개질 반응을 위한 Pt, Pd, Ru, 또는 Rh의 귀금속을 포함하는 것인, 연료전지 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 산화극은 상기 막전극접합체의 지지체 역할을 하도록 상기 환원극 또는 상기 전해질보다 두꺼운 것인, 연료전지 시스템.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 전해질은 이트륨 또는 스칸듐이 도핑(doping)된 지르코니아, 또는
    가돌리늄, 란타늄, 사마륨, 이르테븀 및 네오디뮴 중 1 종 이상이 도핑된 세리아로 이루어진 것인, 연료전지 시스템.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 환원극은 LSM(Lanthan Strontium Mangan Oxide), LSCF(Lanthan Strontium Cobalt Ferrum Oxide), 또는 SSC(Samarium Strontium Cobalt Oxide)의 페로브스카이트(perovskite) 구조를 지니는 산화물질로 이루어진 것인, 연료전지 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 자가 발열부의 귀금속 촉매 물질은 Pt, Pd, Ru, 또는 Rh의 귀금속 물질을 포함하는 것인, 연료전지 시스템.
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