KR101998144B1 - 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지 - Google Patents

기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지 Download PDF

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Abstract

밀봉 튜브에 열선을 장착하는 것에 의해 별도의 히팅 장치가 불필요하므로 부피를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 발열부분과 실링부분의 온도 구배차로 비교적 낮은 온도에서 장시간 동안 노출되는 실링부분에 대한 내구성을 향상시킬 수 있는 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지는 연료가 통과하는 중공을 갖는 원통 형상의 단위 셀; 상기 단위 셀의 외측을 감싸도록 밀봉하는 밀봉 튜브; 및 상기 밀봉 튜브에 장착되어, 상기 단위 셀을 가열하기 위한 열선;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지{SOLID OXIDE ELECTROCHEMISTRY MULTI-FUNCTIONAL TUBE UNIT BATTERY HAVING FUNCTIONALLY DISTRIBUTED TYPE TRIPLE PIPE SHAPE}
본 발명은 내부와 외부에 기능성 관을 삽입하여 내부관을 통해 기계적 강도, 전류접지(current collecting), 주입가스로 확산가이드 및 스택 연결 등의 기능을 분산하였으며, 외관 설계를 통해 자체 발열과 외부쪽 주입 가스의 양을 조절하고 개별 단위 전지의 독립적 운전이나 교체가 가능하도록 복잡한 구조의 고체 전기화학 반응 전지의 기능을 분산한 형태의 다기능 튜브 단위 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 밀봉 튜브에 열선을 장착하는 것에 의해 별도의 히팅 장치가 불필요하므로 부피를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 발열부분과 실링부분의 온도 구배차로 비교적 낮은 온도에서 장시간 동안 노출되는 실링부분에 대한 내구성을 향상시킬 수 있는 방식의 다기능 튜브 단위 전지에 관한 것이다. 이러한 형태의 구조는 기존의 이온전도도 이용 고체산화물 연료전지(SOFC), 수전해 전지(SOEC), 가역형 연료전지(Reversible Fuel Cell) 등의 내구성 향상을 구현할 수 있으며, 합성가스 제조가 가능한 전기화학 막반응 장치 및 가스센서의 개념을 포괄한 새로운 형태의 충방전 운전이 가능하도록 설계되었다.
고체산화물 전지는 산소 또는 수소 이온 전도성을 띄는 고체 산화물을 전해질막으로 사용하는 전지로 양극에서 산소의 환원반응으로 생성된 산소 이온이 고체 전해질막을 지나 음극으로 이동한 후 음극에 공급된 수소와 반응하면서 물을 생성하고 이때 생성된 전자가 양극으로 전달될 때 발생하는 외부 전류를 이용하게 된다.
이를 위해, 고체산화물 전지는 캐소드 전극, 고체 전해질 및 애노드 전극으로 구성되는 단위 셀을 기본 구성으로 한다. 이때, 고체산화물 전지에서 발생하는 전기를 집전하기 위해 캐소드 전극 및 애노드 전극을 전류 집전체를 이용하여 전기적으로 연결하고 있다.
최근에는 CO2 및 CO 중 1종 이상의 연료를 SOFC(solid oxide fuel cell) 및 SOEC(solid oxide electrolyzer cell) 시스템에 일회 주입으로 밀폐한 후 지속적인 정반응과 가역반응의 반복을 통해 충방전 개념의 2차 전지로 활용하려는 노력이 진행 중에 있다.
그러나, 이러한 충방전 방식의 2차 전지를 구현하기 위해서는 밀폐나 단위 셀의 내구성 등이 향상되어야 하나, 종래의 SOFC/SOEC의 단전지 형태의 경우, 스택 설계시 실링 구조, 집전 효율 및 장기 내구성 등의 측면에서 많은 취약점이 있다.
또한, 종래의 원통형(튜브형) 고체산화물 전지의 경우, 평판형에 비하여 스택 부피가 크고 집전 방식에 어려움이 있어 일반적으로 평판형 구조로 설계하고 있는데, 이러한 평판형 구조의 고체산화물 전지의 경우 단위 셀의 주변에 핫 박스(Hot box) 및 주변보조장치(Balance of Plant : BOP) 등을 설계해야 하는데 기인하여 부피 증가 및 비용 상승 문제를 초래하고 있다.
이를 해결하기 위해, 본 발명의 경우에는 외관튜브에서 발열을 할 수 있는 설계가 가능하며, 집전은 외부의 회로 설계를 통해 병렬과 직렬 구조를 제어할 수 있기에 셀 주변의 부가적인 핫 박스나 주변보조장치의 부피를 줄일 수 있기 때문에 기존의 원통형 고체산화물 전지의 스택 부피보다는 감소할 수 있으며 평판형 스택 시스템 보다는 효율적인 공간 활용이 가능하다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-1353662호 (2014.01.21. 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 고체산화물 전기분해전지용 단위셀 및 이를 포함하는 고체산화물 전기분해전지용 스택이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 밀봉 튜브에 열선을 장착하는 것에 의해 별도의 히팅 장치가 불필요하므로 부피를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 발열부분과 실링부분의 온도 구배차로 비교적 낮은 온도에서 장시간 동안 노출되는 실링부분에 대한 내구성을 향상시킬 수 있는 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지는 연료가 통과하는 중공을 갖는 원통 형상의 단위 셀; 상기 단위 셀의 외측을 감싸도록 밀봉하는 밀봉 튜브; 및 상기 밀봉 튜브에 장착되어, 상기 단위 셀을 가열하기 위한 열선;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지는 중공 구조의 단위 셀을 밀봉 튜브로 밀봉하는 이중 실링 구조의 도입으로 단위 셀의 중공 내부로 공급되는 연료를 완벽하게 밀봉시키는 것이 가능해짐으로써, SOFC(solid oxide fuel cell) 반응 및 SOEC(solid oxide electrolyzer cell) 반응에 의한 가역성 확보가 가능하여 충방전이 가능할 뿐만 아니라, 완벽한 밀봉 구조의 설계로 인해 종래의 SOFC/SOEC 스택의 경우 합성가스의 회수 및 합성가스 발생시 탄소의 침착으로 인해 내구성 저하 및 집전 효율 저하 등의 문제점을 보완할 수 있으며, 메탄의 합성가스는 물론 암모니아를 생산할 수는 구조를 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지는 밀봉 튜브에 열선을 장착하는 것에 의해 별도의 히팅 장치가 불필요하므로 부피를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 발열부분과 실링부분의 온도 구배차로 비교적 낮은 온도에서 장시간 동안 노출되는 실링부분에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지는 원터치형으로 단위 셀을 복개가 스택하여 사용할 시, 각각의 단위 셀들에 대한 개별적인 교체가 가능하므로, 유지보수가 용이하여 비용적인 측면에서 큰 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 단위 셀을 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ' 선을 따라 절단한 면을 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 변형예에 따른 단위 셀을 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ' 선을 따라 절단한 면을 나타낸 평면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지의 전류 집전 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지의 작동 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 도 8의 전류 집전체를 세부적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지를 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 나타낸 사시도이다. 또한, 도 3은 도 2의 단위 셀을 확대하여 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ' 선을 따라 절단한 면을 나타낸 평면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지(100)는 단위 셀(110), 밀봉 튜브(120) 및 열선(130)을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지(100)는 제1 및 제2 밸브(140, 142)를 더 포함한다.
단위 셀(110)은 연료가 통과하는 중공(H)을 갖는 원통 형상을 갖는다.
이러한 단위 셀(110)은 중공(H)을 갖는 전류 집전체(112)와, 전류 집전체(112)의 외면에 배치된 애노드 전극(114)과, 애노드 전극(114)의 외면에 배치된 고체 전해질막(118)과, 고체 전해질막(118)의 외면에 배치된 캐소드 전극(116)을 포함한다. 이러한 애노드 전극(114), 캐소드 전극(116) 및 고체 전해질막(118) 각각은 연료가 통과하는 중공(H)을 갖는 원통형 구조로 이루어진다. 즉, 전류 집전체(112)는 내부를 관통하는 중공을 갖는 튜브 형태를 갖는다.
이러한 단위 셀(110)은 표면이 매끄러운 원통 구조를 가질 수 있다. 이와 같이, 표면이 매끄러운 원통 구조는 설계가 용이하고 제조 비용이 저렴하다는 이점이 있다.
애노드 전극(114) 및 캐소드 전극(116) 각각은 백금, 니켈, 팔라듐, 은, 란타늄, 페로브스카이트계 산화물, 이트륨 또는 스칸듐이 도핑된 지르코니아, 가돌리늄(gadolinium), 사마륨(samarium), 란타늄(lanthanium), 이테르븀(ytterbium) 및 네오디뮴(neodymium) 중 1종 이상이 도핑된 세리아를 포함하는 산소이온 전도체, 제올라이트, 란타늄 또는 칼슘이 도핑된 스트론튬 망간 산화물(LSM), 란타늄 스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF), 산화니켈(NiO), 텅스텐 카바이드, Pd, Pd-Ag 합금 및 V 중 1종 이상을 포함하는 수소이온 전도성 금속 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니며 당해 기술 분야에서 사용될 수 있는 전극 재료라면 모두 사용 가능하다.
고체 전해질막(118)은 탄화수소계 고분자, 불소계 고분자, 이트리아 안정화 지르코니아, (La, Sr)(Ga, Mg)O3, Ba(Zr,Y)O3, GDC(Gd doped CeO2), YDC(Y2O3 doped CeO3), YSZ(Yttrium stabilized zirconia), 스칸디움 안정화 지르코니아(ScSZ(Scandium stabilized zirconia)) 등이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 애노드 전극(114), 캐소드 전극(116) 및 고체 전해질막(118)은 서로 독립적으로 스퍼터링, 화학기상증착, 물리기상증착, 원자층증착, 도금, 펄스레이저증착, 분자빔 에피택시 및 진공 증착 등의 방법에 의하여 형성될 수 있으나, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니며 박막 형성에 사용될 수 있는 방법이라면 모두 사용 가능하다.
연료로는 CO2 및 CO 중 1종 이상의 가스가 이용될 수 있다. 이 경우, 단위 셀(110)의 중공(H) 내부로는 CO2 및 CO 중 1종 이상의 가스가 공급되는 것에 의해 SOFC(solid oxide fuel cell) 반응과 SOEC(solid oxide electrolyzer cell) 반응이 가역적으로 이루어질 수 있으며, 이 결과 충방전이 가능하여 대용량의 에너지를 저장할 수 있게 된다.
이와 달리, 연료로는 메탄계, 암모니아계 합성 가스가 공급될 수도 있다. 이 경우, SOFC(solid oxide fuel cell) 반응과 SOEC(solid oxide electrolyzer cell)을 활용하여 고온 산소이온 전도체의 전기화학 막반응을 통해 메탄계, 암모니아계 합성가스를 생산하는 것이 가능하다.
밀봉 튜브(120)는 단위 셀(110)의 외측을 감싸도록 밀봉한다. 이와 같이, 단위 셀(110)을 밀봉 튜브(120)에 의해 밀봉하는 것에 의해, 단위 셀(110)을 적어도 하나 이상 스택하여 사용하더라도 장기 안정성 확보가 가능하며, 기계적 강도 및 집전 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 이러한 밀봉 튜브(120)는 고온에서 내열성이 우수하면서 밀봉성이 뛰어난 재질로 형성하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 쿼츠(qutze), 알루미나(alumina) 등의 재질을 이용하는 것이 좋다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지(100)는 중공 구조의 단위 셀(110)을 밀봉 튜브(120)로 밀봉하는 이중 실링 구조의 도입으로 단위 셀(110)의 중공(H) 내부로 공급되는 연료를 완벽하게 밀봉시키는 것이 가능해짐으로써, SOFC(solid oxide fuel cell) 반응 및 SOEC(solid oxide electrolyzer cell) 반응에 의한 가역성 확보가 가능하여 충방전이 가능할 뿐만 아니라, 완벽한 밀봉 구조의 설계로 인해 종래의 SOFC/SOEC 스택에서와 같이 합성가스의 회수 및 합성가스 발생시 탄소의 침착으로 인해 내구성 저하 및 집전 효율 저하 등이 문제를 보완할 수 있으며, 메탄의 합성가스는 물론 암모니아를 생산할 수 있는 구조를 갖는다.
열선(130)은 밀봉 튜브(120)에 장착되어, 단위 셀(110)을 가열하는 역할을 한다. 이러한 열선(130)은 단위 셀(110)을 600 ~ 800℃의 온도로 가열하도록 설정되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 열선(130)은 밀봉 튜브(120)의 외측 표면에 형성될 수 있다. 이와 달리, 열선(130)은 밀봉 튜브(120)의 내부에 매립될 수 있다. 이러한 열선(130)은 밀봉 튜브(120)의 외측 표면 또는 내부에서 코일링 형태로 감기도록 장착될 수 있다.
도면으로 상세히 나타내지는 않았지만, 열선(130)은 정극성의 전류를 인가받는 제1 열선(미도시)과, 부극성의 전류를 인가받는 제2 열선(미도시)을 갖는다. 이에 따라, 열선(130)은 정극성 및 부극성의 전류를 인가받아 구동하게 된다.
이와 같이, 밀봉 튜브(120)에 열선(130)을 장착하는 것에 의해 별도의 히팅 장치가 불필요하므로 부피를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 발열부분과 실링부분의 온도 구배차로 비교적 낮은 온도에서 장시간 동안 노출되는 실링부분에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.
제1 밸브(140)는 단위 셀(110)의 일단에 연통되도록 장착되어, 단위 셀(110)의 내부로 유입되는 연료의 공급을 제어하는 역할을 한다. 그리고, 제2 밸브(142)는 단위 셀(110)의 타단에 연통되도록 장착되어, 단위 셀(110)의 내부에 공급된 연료의 배출을 제어하는 역할을 한다.
한편, 도 5는 본 발명의 변형예에 따른 단위 셀을 확대하여 나타낸 사시도이고, 도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ' 선을 따라 절단한 면을 나타낸 평면도이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 단위 셀(110)은 표면이 주름진 주름형 원통 구조를 가질 수 있다. 이와 같이, 전류 집전체(112), 애노드 전극(114), 캐소드 전극(116) 및 고체 전해질막(118)을 모두 주름진 형태의 주름형 원통 구조로 설계할 경우, 활성 표면적이 확장되는데 기인하여 집전 효율을 극대화할 수 있는 구조적인 이점이 있다.
즉, 내부를 관통하는 중공을 갖는 튜브 형태의 전류 집전체를 갖는 단위 셀이 기계적 강도를 담당하기 때문에 단위 셀을 주름진 형태의 셀로 적용할 수 있으며, 기계적 강도 문제와 주름진 형태로 인한 집전 등의 여러 문제점을 고려하지 않아도 되는 설계 구조를 갖는다. 따라서, 주름진 형태의 단위 셀을 압출 방식으로 제조할 경우 표면적이 넓어 다기능 튜브 단위 전지의 출력밀도를 높일 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지의 전류 집전 원리를 설명하기 위한 모식도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지의 작동 원리를 설명하기 위한 모식도이며, 도 9는 도 8의 전류 집전체를 세부적으로 나타낸 도면이다. 이하에서는 도 7 내지 도 9와 더불어, 도 3을 함께 참조하여 설명하도록 한다. 이때, 도 8에서는 전류 집전체의 외면에 배치되는 애노드 전극, 애노드 전극의 외면에 배치되는 고체 전해질막 및 고체 전해질막의 외면에 배치되는 캐소드 전극은 도시하지 않았다.
도 3과, 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지(100)는 써모커플(160), 제1 실링 부재(도 2의 150) 및 제2 실링 부재(152)를 더 포함할 수 있다.
써모커플(160)은 밀봉 튜브(120)에 내장되어, 단위 셀(110)의 온도를 감지하는 역할을 한다. 이러한 써모커플(160)은 정극성의 전류를 인가받는 제1 전극 단자(162)와, 부극성의 전류를 인가받는 제2 전극 단자(164)를 갖는다.
제1 실링 부재(도 2의 150)는 전류 집전체(112) 및 애노드 전극(도 4의 114)과, 전류 집전체(112) 및 캐소드 전극(도 4의 116)을 밀봉하는 역할을 한다. 즉, 제1 실링 부재는 전류 집전체(112)와 애노드 전극의 단부, 전류 집전체(112)와 캐소드 전극의 단부에 형성되어, 단위 셀(110)의 중공(H)을 완벽하게 밀폐시킨다.
제2 실링 부재(152)는 단위 셀(110)과 밀봉 튜브(120)를 실링하는 역할을 한다. 이러한 제2 실링 부재(152)는 밀봉 튜브(120)의 가장자리에 형성되어, 단위 셀(110)을 완벽하게 밀폐시키게 된다. 이러한 제1 실링 부재 및 제2 실링 부재(152) 각각은 글래스 프릿 재질을 이용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 전류 집전체(112)는 내부 중앙 부분에 배치된 격벽(112a)과, 양측 가장자리를 관통하도록 형성된 복수의 개구(112b)를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지(100)는 캐소드 전극에서 산소의 환원반응으로 생성된 산소 이온이 고체 전해질막을 지나 애노드 전극으로 이동한 후 애노드 전극에 공급된 수소와 반응하면서 물을 생성하고 이때 생성된 전자가 캐소드 전극으로 전달될 때 발생하는 외부 전류를 이용하게 된다.
즉, 제1 밸브(140)를 개방시켜 연료를 주입하게 되면, 단위 셀(110)의 중공(H) 내부로 연료가 공급된다. 이때, 전류 집전체(112)의 내부 중앙에 배치되는 격벽(112a)에 의해 연료 공급이 차단되면서 제1 밸브(140)에 인접한 복수의 개구(112a)를 통해 전류 집전체(112)와 밀봉 튜브(120) 사이의 공간으로 연료가 배출된다. 이후, 제2 밸브(142)에 인접한 복수의 개구(112b)를 통해 연료가 단위 셀(110)의 중공(H) 내부로 다시 유입되어 제2 밸브(142) 방향으로 배출된다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지는 중공 구조의 단위 셀을 밀봉 튜브로 밀봉하는 이중 실링 구조의 도입으로 단위 셀의 중공 내부로 공급되는 연료를 완벽하게 밀봉시키는 것이 가능해짐으로써, SOFC(solid oxide fuel cell) 반응 및 SOEC(solid oxide electrolyzer cell) 반응에 의한 가역성 확보가 가능하여 충방전이 가능할 뿐만 아니라, 완벽한 밀봉 구조의 설계로 인해 종래의 SOFC/SOEC 스택의 경우 합성가스의 회수 및 합성가스 발생시 탄소의 침착으로 인해 내구성 저하 및 집전 효율 저하 등의 문제점을 보완할 수 있으며, 메탄의 합성가스는 물론 암모니아를 생산할 수는 구조를 갖는다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지는 밀봉 튜브에 열선을 장착하는 것에 의해 별도의 히팅 장치가 불필요하므로 부피를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 발열부분과 실링부분의 온도 구배차로 비교적 낮은 온도에서 장시간 동안 노출되는 실링부분에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지는 원터치형으로 단위 셀을 복개가 스택하여 사용할 시, 각각의 단위 셀들에 대한 개별적인 교체가 가능하므로, 유지보수가 용이하여 비용적인 측면에서 큰 장점을 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지는 기존 원통형 구조의 SOFC(solid oxide fuel cell) 및 SOEC(solid oxide electrolyzer cell)는 단위전지 자체가 기계적인 강도를 가지고 있어야 하며, 따라서 음극 지지체의 경우 음극의 세라믹 설계, 소결 공정 설계가 매우 중요하였으나, 본 발명은 전류 집전체가 기계적인 강도와 각각의 단위 셀들과의 접촉 스택과 연결 등 여려 역할을 분산하여 내부관이 담당하므로 내구성이 향상되며, 외측의 밀봉 튜브를 이용하여 내부에 유입되는 삽입가스는 물론 외부 주입가스까지 컨트롤이 가능하므로 반응율 제어 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지는 SOFC(solid oxide fuel cell)는 물론 SOEC(solid oxide electrolyzer cell)에서 처럼 반응가스의 주입과 수거가 중요한 가스컨트롤이 중요한 전기화학 막반응 장치에도 활용할 수 있으며, 주입 가스량의 밀폐와 개폐가 가능하여 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 개념의 가역형 연료전지, SOFC, SOEC, 가역형 연료전지, 전기화학 막반응기 등에 대한 적용이 가능하다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 다기능 튜브 단위 전지 110 : 단위 셀
112 : 전류 집전체 112a : 격벽
112b : 개구 114 : 애노드 전극
116 : 캐소드 전극 118 : 고체 전해질막
120 : 밀봉 튜브 130 : 열선
132 : 제1 열선 단자 134 : 제2 열선 단자
140 : 제1 밸브 142 : 제2 밸브
150 : 제1 실링 부재 152 : 제2 실링 부재
160 : 써모커플 162 : 제1 전극 단자
164 : 제2 전극 단자 H : 중공

Claims (12)

  1. 연료가 통과하는 중공을 갖는 원통 형상의 단위 셀;
    상기 단위 셀의 외측을 감싸도록 밀봉하는 밀봉 튜브;
    상기 밀봉 튜브에 장착되어, 상기 단위 셀을 가열하기 위한 열선;을 포함하며,
    상기 단위 셀은 표면이 주름진 주름형 원통 구조를 갖고,
    상기 단위 셀은 상기 중공을 갖는 전류 집전체와, 상기 전류 집전체의 외면에 배치된 애노드 전극과, 상기 애노드 전극의 외면에 배치된 고체 전해질막과, 상기 고체 전해질막의 외면에 배치된 캐소드 전극을 포함하며,
    상기 전류 집전체는 내부 중앙 부분에 배치된 격벽과, 양측 가장자리를 관통하도록 형성된 복수의 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 전극, 캐소드 전극 및 고체 전해질막 각각은
    상기 연료가 통과하는 중공을 갖는 원통형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열선은
    상기 밀봉 튜브의 외측 표면에 형성되거나, 또는 상기 밀봉 튜브의 내부에 매립된 것을 특징으로 하는 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 다기능 튜브 단위 전지는
    상기 단위 셀의 일단에 연통되도록 장착되어, 상기 단위 셀의 내부로 유입되는 연료의 공급을 제어하기 위한 제1 밸브와,
    상기 단위 셀의 타단에 연통되도록 장착되어, 상기 단위 셀의 내부로부터 배출되는 연료의 배출을 제어하기 위한 제2 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 다기능 튜브 단위 전지는
    상기 밀봉 튜브에 내장되어, 상기 단위 셀의 온도를 감지하기 위한 써모커플과,
    상기 전류 집전체 및 애노드 전극과, 상기 전류 집전체 및 캐소드 전극을 밀봉하기 위한 제1 실링 부재와,
    상기 밀봉 튜브와 전류 집전체를 실링하기 위한 제2 실링 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 실링 부재 각각은
    글래스 프릿 재질이 이용되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 밀봉 튜브는
    쿼츠(qutze) 또는 알루미나(alumina) 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 기능분산형 3중관 형태의 고체산화물 전기화학 다기능 튜브 단위 전지.
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