KR101998930B1 - 면압균일화층을 구비한 고체산화물 연료전지 스택용 가압장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라 면압판과 상부 엔드판 사이에 구비한 유리질로 구성된 면압균일화층을 삽입하면, 면압판이 SOFC 스택의 전처리 내지는 장기 운전시 발생하는 면압판의 변형을 보완하여, 상부 엔드판과의 면접촉을 유지할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 상기 유리층이 고온에서는 고점도의 액체와 같이 거동으로 면압을 균일하게 분배하는 역할을 함으로써, SOFC 스택 전체에 균일한 면압이 인가될 수 있도록 하여 스택의 내구성과 신뢰성을 향상 시키는 효과가 있다.

Description

면압균일화층을 구비한 고체산화물 연료전지 스택용 가압장치 {A stack compression apparatus having force homogenizing layer for a solid oxide fuel cell stack}

본 발명은 고체산화물연료전지 스택의 면압판의 고온 변형에 의하여 발생하는 엔드판의 변형 및 스택 내부의 면압 불균일을 막기 위하여, 면압판과 상부 엔드판 사이에 면압균일화층을 구비한 가압장치에 관한 것이다.

고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell, 이하 'SOFC')는 전기화학적 에너지 변환 장치로서, 산소 이온 전도성 전해질층과 그 양면에 위치한 공기극(양극) 및 연료극(음극)을 포함한다. 상기 SOFC의 공기극에 산소를 공급하고 연료극에 수소를 공급하면, 공기극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질층을 지나 연료극으로 이동한 후 연료극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 연료극에서 생성된 전자가 공기극으로 전달되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.

SOFC는 모든 구성 요소가 고체로 이루어지기 때문에 다른 연료 전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매를 필요로 하지 않고, 직접적인 내부 개질을 통해 발전 효율이 높고, 스택의 온도 제어가 가능하다. 또한, SOFC는 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다.

공기극, 전해질막 및 연료극을 기본으로 하는 하나의 단위 전지에서 발생하는 전력은 상당히 제한적이기 때문에, 복수의 단위 전지를 적층하여 SOFC 단위 스택을 구성하고, 상기 단위 스택을 적층하여 SOFC 다단 스택을 구성함으로써 높은 기전력을 얻을 수 있다. 상기 적층을 위해서, 단위 전지의 공기극과 다른 단위 전지의 연료극은 전기적으로 직렬 연결되어야 한다. 그리고, 각 단위 전지에 연료와 공기를 공급할 수 있는 구조물이 필요하며, 이를 위해 금속 재질의 분리판(separator)이 사용된다.

또한, 공기극 및 연료극의 전류를 균일하게 집전하여 분리판에 전달하기 위하여, 공기극 및 연료극에 페이스트, 폼(Foam), 메쉬(Mesh) 등 다양한 형태의 도전성 재료를 이용한 집전체가 삽입된다.

이러한 SOFC 다단 스택에서, 연료 가스인 수소와 연소 가스인 공기의 혼합 방지, 스택 외부로의 가스 누출 방지 및 단위 전지간의 절연을 위하여 금속 분리판과 단위 전지의 구성 요소 사이를 밀봉한다. SOFC 스택은 통상 700 이상의 고온에서 작동하기 때문에 각 단위 스택의 분리판과 분리판 사이의 밀봉 및 절연을 위하여 유리계 밀봉재를 사용하여 밀봉하는 것이 일반적이다.

SOFC 스택에서 집전 및 밀봉을 위해서는, 전처리 과정이나 시스템 운전 중에 일정 크기의 면압을 스택에 인가해 주어야 한다. 스택 전체에 걸쳐 면압 균일성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해서는 우선적으로 면압인가 시스템을 통하여 SOFC 스택의 엔드판에 균일한 면압이 전달되는 것이 매우 중요하다.

그러나, SOFC 스택의 전처리 및 운전온도 영역인 700℃~850℃ 에서는 면압판의 고온 변형이 발생한다. 이러한 현상은 면압판에 걸리는 압력과 온도가 불균일하고, 면압판 소재의 변형량이 상기 온도의 함수이기 때문이다. 상기 면압판의 고온 변형의 정도와 형상은 면압판의 재질과 두께는 물론 면압 인가 방식, 다시 말해 일축 가압 방식과, 다축 당김 방식 등 면압 인가 시스템에 따라 크게 달라진다.

이러한 면압판 변형은 SOFC 스택의 상부 엔드판의 변형 및 스택 상부의 면압 불균일을 가속화하여 스택 상부의 금속 분리판의 변형에 의한 접촉손실 현상의 원인이 된다.

예를 들어, 고체산화물 연료전지의 단위 스택을 가압하는 경우, 일축 가압인 경우에는 면압판의 중심 부분에 눌림 변형이 집중 발생하여 중심 방향으로 볼록하게 휨이 발생한다. 반대로, 다축 당김 구조에서는 면압판의 외각이 중심부 대비 당김방향으로 쳐지는 현상이 발생한다.

본 발명에서는, SOFC 면압 시스템을 핵심적으로 구성하는 금속 재질 면압판의 고온 변형이 스택 상부의 엔드판 및 분리판에 그대로 전달되어, 스택 상부 구성요소의 변형과 면압 불균일을 가속화하여 발생하는 스택 최상부 셀 유닛의 접촉 손실을 억제하여, 스택 최상부 셀 유닛의 성능 저하 현상을 해결하고자 한다.

본 발명에서는, 면압판과 상부 엔드판 사이에 면압판의 변형을 보완하고 면압 전달을 균일화시킬 수 있는 면압균일화층을 삽입함으로써, SOFC 면압 시스템을 구성하는 금속 재질 면압판의 고온 변형이 스택 상부의 엔드판 및 분리판에 그대로 전달되는 것을 방지한다. 또한, 면압 불균일의 가속화를 억제하여 스택 최상부 셀 유닛의 접촉 손실에 의한 성능 저하를 방지하는 것이다.

구체적으로, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스택용 가압장치는 면압판과 상부 엔드판 사이에 면압판의 변형을 완충하여 상부 엔드판에 균일한 면압을 전달하는 면압균일화층을 구비한다.

상기 면압균일화층은 700℃ 내지 850℃ 범위의 고체산화물 연료전지의 전처리 온도 및 운전온도 영역에서 물리적 화학적으로 안정한 것이 바람직하다. 한편, 면압균일화층의 안정성을 높이기 위해, 면압균일화층의 일면 또는 양면에 반응 방지층을 추가로 포함할 수 있다.

고체산화물 연료전지의 전처리 온도 및 운전온도 영역에서 면압균일화층의 점도는 10^{8. 5} Pa·s에서 10^{11. 5} Pa·s 사이인 것이 바람직하다. 또한, 고체산화물 연료전지의 전처리 온도 및 운전온도 영역에서 점도의 팽창성 연화점(Dilatometric Softening Point)이 존재하는 것이 보다 바람직하다.

상기 면압균일화층은 유리로 구성되는 것이 바람직하며, 그 형상은 판상의 벌크 유리 또는 유리 분말인 것이 바람직하다. 상기 면압균일화층은 유리분말 또는 벌크 유리를 소결하여 형성될 수 있는데, 유리분말의 소결이 고체산화물 연료전지 스택의 전처리 또는 운전과정에서 수행될 수 있다.

또한, 상기 면압균일화층은 다양한 공정을 통해 그린시트를 제조하고, 이를 적층하여 제조될 수 있다.

본 발명에 따라 면압판과 상부 엔드판 사이에 구비한 유리질로 구성된 면압균일화층을 삽입하면, 면압판이 SOFC 스택의 전처리 내지는 장기 운전시 발생하는 면압판의 변형을 보완하여, 상부 엔드판과의 면접촉을 유지할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 상기 유리층이 고온에서는 고점도의 액체와 같이 거동으로 면압을 균일하게 분배하는 역할을 함으로써, SOFC 스택 전체에 균일한 면압이 인가될 수 있도록 하여 스택의 내구성과 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 종래 일축가압형 면압시스템을 도시한 것이다.
도 2는 종래 다축당김형 면압시스템을 도시한 것이다.
도 3은 종래 면압시스템에 따른 면압판의 변형을 예시적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 가압장치의 작용을 예시적으로 도시한 것이다.
도 5는 유리의 점도별 변형 특성을 도시한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭이 사용되며, 이에 따라 중복되는 부가적인 설명은 아래에서 생락된다. 아래에서 참조되는 도면들에서는 축적비가 적용되지 않는다.

종래 기술에서는 일축가압형 면압시스템의 경우, 금속 면압판과 상부 엔드판 사이에 절연 목적의 운모판을 삽입하였을 뿐이고, 면압판 변형에 대한 인식 내지 대안을 제공하지 못했다. 상기 운모판은 절연 목적에 불과하여, 면압균일화층으로서의 역할은 기대할 수 없기 때문에 본 명세서의 도면 등에서는 표현하지 않았다. 도 1에 도시한 바와 같은 종래 일축가압형 면압시스템의 구성에서는, 금속 재질의 일축가압판의 휨에 의한 응력 집중이, 상부 엔드(END)판 및 최상부 분리판의 변형을 일으키고, 결국 전지의 성능 저하 및 파손을 초래하였다.

또한, 다축 당김구조의 종래 기술 역시, 절연 기능의 운모판을 삽입하는 것 이외에, 면압판 변형에 대한 인식 내지 대안을 제공하지 못했다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 면압판 변형에 대한 해결책을 구비하지 않는 경우, 면압판의 휨에 의한 응력 집중이 상부 엔드판 및 최상부 분리판의 변형을 일으키고, 결국 전지의 성능 저하 및 파손을 초래하였다.

결론적으로, 두 가지 서로 다른 면압시스템 모두의 경우에, 면압판에 변형이 발생하면, 우선 상부 엔드판과 면압판의 면접촉이 선접촉 형태로 바뀌어 면압이 상기 접촉부에 집중 분포된다. 이러한 불균일한 면압분포가 상부 엔드판을 통하여 스택내부의 구성요소인 분리판, 집전체, 밀봉재, 셀 등에 그대로 전달되어 접촉손실을 발생하게 되고, 결국 전지의 성능 저하를 초래하는 것이다.

이러한 상황에서 근본적인 해결 방안은, 원천적으로 면압판의 변형을 방지하는 것이다. 그러나, 변형의 원인인 온도 및 면압이 균등하게 가해지지 않기 때문에, SOFC 스택의 전처리 및 작동온도인 700~850℃ 영역에서 장기적으로 변형이 없는 면압판은 현실적으로 구현하기 어렵다.

따라서, 본 발명자는, 이러한 면압판 변형이 스택 상부의 접촉 손실을 일으키지 않도록 하기 위한 해결 방안을 고심한 결과, 상기 변형을 그대로 전달하지 않고, 원래의 면압이 유지되도록 하는 면압균일화층을 안출하였다. 이러한 해결 방안은 종래 면압시스템에 용이하게 적용할 수 있는 현실적인 방안이었다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 종래기술에서는 면압판이나 상부 엔드판의 변형 내지는 가공 공차를 흡수하기 위해서, 불연성 물질인 세라믹 매트, 펠트, 폼 등을 이용하기도 하였다. 이러한 물질을 면압판과 상부 엔드판의 상이에 배치하는 경우에, 면압판 변형을 형태적으로는 조절할 수 있어 면압판과 상부 엔드판의 면접촉은 유지 할 수 있었다. 그러나, 면압판 변형부와 접촉하는 부위에 국부적으로 응력 집중이 일어나서 부분적인 고밀도부를 형성하게 되므로, 면압 불균일은 그대로 상부 엔드판을 통하여 스택 상부에 전달될 수 밖에 없게 되는 구조였다. 결국, 이러한 방안은 여전히 적절한 해결방안이 될 수 없었다.

이러한 문제를 종합적으로 고려하여, 본 발명은 면압판 변형에 따른 접촉부 소재의 국부적 눌림이 발생하지 않고 유체와 같이 압력을 분산시키는 효과가 있는 면압균일화층을 제공하는 것이다. 본 발명에 따르면, 면압판과 상부 엔드판 사이의 면압 전달 과정에 유체와 같은 성질을 갖는 면압균일화층이 제공됨으로써, 상부 엔드판 전면에 골고루 압력이 분산될 수 있도록 하였다.

본 발명에 따르면, SOFC 전처리 및 운전온도인 700℃~850℃ 범위의 고온 영역에서, 유체와 같은 거동을 하면서도, 상당한 점성을 보유하고 있어서 흘러내리지는 않는 소재로 구성된 면압균일화층을 제공하였다. 본 발명의 면압균일화층을 상부 엔드판과 면압판 사이에 제공하여 균일한 면압이 전달되도록 하였다.

상기 특성을 갖는 면압균일화층의 소재로서, 본 발명에서는 적절한 유리층을 상기 면압균일화층으로 적용하였다. 유리는 상온에서는 일견 고체처럼 보이지만 정확하게는 과냉각액체, 다시 말해 매우 점도가 높은 액상으로 정의된다. 유리는 연화점 이상의 고온에서는 점도가 상당히 낮아지는데, 연화온도 이상의 SOFC 전처리 및 운전온도에서 면압판 변형에 대응하여 적절히 변형되므로, 면압판과 상부 엔드판 사이의 갭 발생을 억제할 수 있다. 또한, 면압판의 면압을 상부 엔드판에 전달하는 과정에서 유리층이 점성유체 역할을 함으로써, 상부 엔드판에 전달되는 면압을 균일하게 제어하는 기능을 한다.

결과적으로, 세라믹 매트나, 펠트, 폼 등을 이용하는 종래의 기술에서는, 면압판 변형 부위에 발생하는 응력 집중을 해소하지 못하지만, 본 발명에 따른 면압균일화층은 면압판 변형에 맞추어 면압균일화층의 형상이 바뀔 뿐만 아니라, 면압균일화층(유리층)의 점성유동에 의하여 면압균일화층 내의 밀도가 계속 균일하게 유지된다. 또한, 면압균일화층이 점성 유동 특성을 갖기 때문에 면압판의 압력이 상부 엔드판 전면에 균일하게 분산되는 효과가 있다.

이하에서는 본 발명의 면압균일화층으로 이용되는 유리에 대하여 설명한다. 기본적으로, SOFC 전처리 및 운전온도에서 화학적 및 물리적으로 불안정하여 스택의 성능과 수명에 악영향을 줄 수 있는 수준의 휘발과 분해가 일어나는 유리는 기본적으로 제외된다. 그러나, 상기와 같은 심각한 휘발성 및 물리적 불안정성은 없으나, 면압판 및 상부 엔드판의 소재와 직접 접촉하는 경우 스택의 성능과 수명에 영향을 줄 수 있는 수준의 계면반응이 문제가 되는 유리의 경우에는, 면압판 그리고 유리와 상부 엔드판과의 접촉부에 예를 들어 운모 필름과 같은 매우 얇은 반응 방지층을 부가하여 적용할 수 있다. 상기 두께는 0.05~0.2mm 범위 일 수 있다.

가장 중요한 것은, 유리의 고온 점도가 면압판 변형 및 면압 불균일을 해소할 만큼 낮으며, 면압에 의하여 압출(Squeeze out)되어 흘러내릴 수준 보다는 충분히 높아야 한다는 것이다. 도 5에 유리의 점도별 변형 특성을 요약하였다.

본 발명에 따른 면압균일화층에 적용되는 유리는, 도 5에 제시된 바와 같이, SOFC 전처리 및 운전온도 범위인 700~850℃에서 점도 범위가 10^{8. 5} Pa·s에서 10^{11. 5} Pa·s 인 유리가 바람직하다. 또한, 유리는 고체산화물 연료전지의 전처리 온도 및 운전온도 영역에서 점도의 팽창성 연화점(Dilatometric Softening Point)이 존재하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 면압균일화층으로 제공되는 유리의 형태는 판상의 벌크 형태를 사용하는 것이 가능하다. 그러나, 형상 제조 및 초기 면압 인가시 판상의 벌크 유리의 파손 가능성등 단점을 보완하기 위해서, 동일 조성의 유리를 분말 형태로 제조하여 테이프 캐스팅, 압출, 롤 컴팩션 등의 방법으로 성형한 그린시트 및 그 적층체를 적용하는 방법 등을 이용할 수도 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (12)

1. 면압판과 상부 엔드판 사이에 면압판의 변형을 완충하여 상부 엔드판에 균일한 면압을 전달하는 면압균일화층을 구비하고,
   상기 면압균일화층은 고체산화물 연료전지의 전처리 온도 및 운전온도 영역에서 점도의 팽창성 연화점이 존재하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택용 가압장치.
   
2. 제1항에 있어서, 면압균일화층이 고체산화물 연료전지의 전처리 온도 및 운전온도 영역에서 물리적 화학적으로 안정한 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택용 가압장치.
   
3. 제1항에 있어서, 고체산화물 연료전지의 전처리 온도 및 운전온도 영역에서 면압균일화층의 점도가 10^8.5 Pa·s에서 10^11.5 Pa·s 사이인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택용 가압장치.
   
4. 삭제
5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 고체산화물 연료전지의 전처리 온도 및 운전온도 범위는 700℃ 내지 850℃ 범위인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택용 가압장치.
   
6. 제1항에 있어서, 면압균일화층이 그린시트를 적층하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택용 가압장치.
   
7. 제1항에 있어서, 면압균일화층이 유리로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택용 가압장치.
   
8. 제7항에 있어서, 유리의 형상이 판상의 벌크 유리 또는 유리 분말인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택용 가압장치.
   
9. 제8항에 있어서, 면압균일화층이 유리분말 또는 벌크 유리를 소결하여 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택용 가압장치.
   
10. 제9항에 있어서, 유리의 소결이 고체산화물 연료전지 스택의 전처리 또는 운전과정에서 수행되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택용 가압장치.
    
11. 제1항에 있어서, 면압균일화층의 일면 또는 양면에 반응 방지층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택용 가압장치.
    
12. 제11항에 있어서, 반응 방지층은 0.05~0.2mm 두께의 운모 필름으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택용 가압장치.

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