KR102268562B1 - Solid Oxide Fuel Cell Modules and Stacks - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고체산화물 연료전지용 스택에 관한 것으로, 상세하게는 금속 브레이징을 구비한 양극 분리판과 셀 프레임을 포함하고, 평판형 셀 테두리에 코너 포켓 및 코너 포켓 측면 모서리에 셀 가이드를 포함하여, 안정성이 향상된 고체산화물 연료전지 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a stack for a solid oxide fuel cell, and more particularly, including a positive electrode separator and a cell frame provided with metal brazing, and including a corner pocket on the edge of a flat cell and a cell guide on the side edge of the corner pocket, for stability This improved solid oxide fuel cell module is provided.
연료전지는 공기극에 산소가 공급되고 연료극에 연료가스가 공급되어 물의 전기분해 역반응(reverse reaction) 형태의 전기화학 반응이 진행되면서 전기, 열 및 물이 발생되어 공해를 유발하지 않고 고효율로 전기를 생성한다. 특히 3세대 연료전지로 각광받고 있는 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 전해질이 치밀구조의 고체 금속 산화물이고 산소 이온이 공기극에서 연료극으로 수송(transported)되는 연료전지의 유형으로, 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않고 직접 내부 개질(internal reforming)을 통한 다양한 연료 이용이 가능하며 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다. 이러한 장점으로 인해 SOFC에 관한 연구는 미국, 일본 등을 중심으로 활발히 이루어지고 있다. In a fuel cell, oxygen is supplied to the cathode and fuel gas is supplied to the anode, and an electrochemical reaction in the form of a reverse reaction of electrolysis of water proceeds to generate electricity, heat, and water with high efficiency without causing pollution. do. In particular, the solid oxide fuel cell (SOFC), which has been spotlighted as a third-generation fuel cell, is a type of fuel cell in which the electrolyte is a solid metal oxide with a dense structure and oxygen ions are transported from the cathode to the anode. Because it operates in a catalytic converter, it does not require a noble metal catalyst, and can use various fuels through direct internal reforming, and thermal combined power generation using waste heat is possible because high-temperature gas is discharged. Due to these advantages, studies on SOFC are being actively conducted in the United States and Japan.
고체산화물 연료전지 스택으로는 단위전지를 서로 연결시키는 접속자(interconnect)의 형태에 따라 원통형, 평관형, 평판형 등의 셀의 형태에 따라 반복적으로 구성요소가 적층된 구조(repeating component type)와 하나의 매니폴드 또는 구조물에 접합되어 있는 구조(Non-repeating type)로 구분된다. 평판형 SOFC에는 연료간의 혼합을 막고 단위전지 내의 구성요소 사이의 접합을 위해 실링재의 개발이 필수적이다. 적층되는 구성요소로는 평판형 타입의 셀, 분리판, 셀 프레임, 집전체, 밀봉재가 있으며 이를 순차적으로 적층한 형태가 일반적이다. 평판형 SOFC 스택의 분리판과 셀 프레임은 상하의 연료와 공기의 흐름을 분리함과 동시에 셀 사이를 직렬 회로로 연결해주는 역할로서 주로 SUS400계, SUS300계 소재가 사용되고 있다. 밀봉재는 마이카, 글라스 또는 마이카와 글라스 하이브리드 형태가 사용되고 있으나 마이카 사용 시 높은 압력조건이 요구되어 현재 대부분 글라스 밀봉재가 이용되며, 이는 주로 셀, 음극, 양극부분의 밀봉을 수행한다.As a solid oxide fuel cell stack, there is a structure in which components are repeatedly stacked according to the shape of the cell such as cylindrical, flat tube, and plate type according to the shape of the interconnect that connects the unit cells to each other (repeating component type) and one It is classified into a structure (non-repeating type) connected to a manifold or structure of The development of a sealing material is essential to prevent mixing between fuels and to bond between components in a unit cell for flat-panel SOFCs. The stacked components include a plate-type cell, a separator, a cell frame, a current collector, and a sealing material, and the sequentially stacked type is common. The separator plate and the cell frame of the flat-type SOFC stack separate the flow of fuel and air at the top and bottom, and at the same time connect the cells in a series circuit, and SUS400 and SUS300 materials are mainly used. Mica, glass, or a mica and glass hybrid type is used as the sealing material, but high pressure conditions are required when using the mica, so glass sealing material is currently mostly used, which mainly seals the cell, cathode, and anode parts.
연료전지 스택은 금속소재인 분리판과 셀 그리고 글라스 밀봉재의 접합으로 구성되고, 고온 접합과 열 충격 실험 시 서로 다른 열팽창계수로 인한 가스 누설문제와 물리적 충격으로 인한 글라스의 취성문제로 스택의 내구성을 좌우하는 결정적인 문제가 있다. 특히 SOFC의 가동 조건으로 인해 양극 밀봉재는 음극 밀봉재에 비해 가혹한 환경에서 구동되는데, 예를 들면 연료전지 스택의 용량/적층 셀 수 증가에 따라 양 극의 공기유량은 음극의 연료가스 유량에 비해 다량의 가스가 흐르게 되고 이는 분당 수십 내지 수백 리터까지 흐를 수 있다. 따라서 양극에 많은 가스유량이 흐르게 되면서 직접적으로 양극 밀봉재에 온도편차와 높은 압력과 같은 가혹한 환경에 노출되어 취약한 글라스 밀봉재가 손상되기도 한다.The fuel cell stack is composed of a metal material separator, a cell, and a glass sealing material. During high-temperature bonding and thermal shock tests, the durability of the stack is improved due to gas leakage due to different coefficients of thermal expansion and brittleness of glass due to physical impact. There is a crucial issue that governs. In particular, due to the operating conditions of the SOFC, the anode sealant operates in a harsher environment than the cathode sealant. For example, as the capacity/number of stacked cells of the fuel cell stack increases, the air flow rate of the anode becomes larger than the fuel gas flow rate of the cathode. The gas flows, which can flow from tens to hundreds of liters per minute. Therefore, as a large amount of gas flow flows through the anode, the anode sealant is directly exposed to harsh environments such as temperature deviation and high pressure, thereby damaging the glass sealant.
현재 기계적 강도가 높은 금속지지형 셀을 이용하여 글라스 밀봉재 대신 셀을 분리판에 용접 또는 브레이징을 통하여 직접적으로 접합하는 방식을 통해 글라스 밀봉재를 최소화 하려는 연구를 진행하고 있으나 셀에 직접적인 브레이징 접합 시 전기적 쇼트문제, 금속과 세라믹의 이종접합 용이성의 문제, 그리고 음극지지형 셀보다 비교적 낮은 성능으로 인해 대면적/대용량 스택을 제작하기에 적합하지 않다. Currently, research is being conducted to minimize the glass sealant by directly joining the cell to the separator through welding or brazing instead of the glass sealant using a metal-supported cell with high mechanical strength. It is not suitable for fabricating large-area/large-capacity stacks due to problems, the ease of heterojunction between metals and ceramics, and relatively lower performance than cathode-supported cells.
대한민국 공개특허 2010-0029331는 고체산화물 연료전지에 관한 것으로, 금속지지체형 고체산화물 연료전지를 개시한다. 그러나 이는 세라믹 셀과 중공부가 형성된 금속지지체를 분리판에 직접 브레이징 접합한 연료전지로, 전기적 쇼트, 이종 접합의 문제가 생길 수 있으며, 대면적/대용량의 연료전지 구현에 기술적 어려움이 있다. 또한 양극 분리판의 절연이 필수적으로 글라스 또는 마이카 소재의 밀봉재를 사용하는 한계점이 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2010-0029331 relates to a solid oxide fuel cell, and discloses a metal support type solid oxide fuel cell. However, since this is a fuel cell in which a ceramic cell and a metal support having a hollow part are directly brazed to a separator, problems of electric short and heterojunction may occur, and there is a technical difficulty in realizing a large area/large capacity fuel cell. In addition, there is a limitation in that a sealing material made of glass or mica is essential for insulation of the positive electrode separator.
따라서 고체산화물 연료전지의 양극 밀봉기술의 한계를 극복하고 구조적 안정성이 향상된 연료전지 스택의 개발이 필요하다. Therefore, it is necessary to develop a fuel cell stack with improved structural stability and overcoming the limitations of the anode sealing technology of the solid oxide fuel cell.
본 발명은 고체산화물 연료전지 모듈 및 스택은 고온 고압 환경에서 연료와 공기의 혼합을 효과적으로 차단하여 연료전지 성능을 향상시키고자 한다.An object of the present invention is to improve fuel cell performance by effectively blocking fuel and air mixing in a solid oxide fuel cell module and stack in a high-temperature and high-pressure environment.
본 발명은 고체산화물 연료전지 모듈로, 상기 모듈은 양극부 및 음극부, 상기 양극부와 음극부 사이에 위치하는 치밀한 구조의 전해질을 포함하는 평판형 셀; 상기 평판형 셀의 상면 중앙과 하면이 노출되도록 상부에 중앙개구부가 관통된 셀 적치 공간인 셀 포켓을 하부면에 구비하고, 테두리부에는 연료출입부와 공기출입부를 포함하며, 상기 셀과 절연되도록 셀 상면 및 측면의 접촉부는 셀 밀봉재로 밀봉하는 셀 프레임; 상기 셀 프레임 상면에서 브레이징 밀봉재인 양극 밀봉재로 접합되고, 상기 셀 프레임의 연료출입부 및 공기출입부와 각각 이어지는 연료출입부 및 공기출입부를 포함하는 분리판; 상기 셀 프레임의 중앙 개구부에 위치하며 상기 셀 프레임의 중앙개구부에 노출된 셀의 상면과 상기 분리판 사이에 위치하는 양극 집전체; 상기 노출된 셀의 하면과 접하는 음극 집전체; 및 상기 음극 집전체의 측면을 둘러싸며, 상기 셀 프레임의 연료출입부 및 공기출입부와 각각 이어지는 연료출입부 및 공기출입부를 포함하는 음극 밀봉재를 포함하고, 상기 분리판, 상기 양극 밀봉재, 상기 셀 프레임, 상기 음극 밀봉재를 통해서연료출입부 및 공기출입부는 연결되는, 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.The present invention provides a solid oxide fuel cell module, comprising: a flat cell including an anode and a cathode, and an electrolyte with a dense structure positioned between the anode and the cathode; A cell pocket, which is a cell storage space, through which a central opening is penetrated, is provided on the lower surface so that the center and the lower surface of the upper surface of the flat cell are exposed, and the edge part includes a fuel inlet and an air inlet and insulated from the cell. The cell frame for sealing the cell top and side contact portions with a cell sealing material; a separation plate joined by an anode sealing material that is a brazing sealing material on the upper surface of the cell frame and including a fuel inlet and an air inlet and outlet connected to the fuel inlet and air outlet of the cell frame, respectively; a positive electrode current collector positioned in the central opening of the cell frame and positioned between the separator and the upper surface of the cell exposed to the central opening of the cell frame; a negative electrode current collector in contact with a lower surface of the exposed cell; and a negative electrode sealing material surrounding the side surface of the negative electrode current collector and including a fuel inlet and air outlet connected to the fuel inlet and air outlet of the cell frame, respectively, wherein the separator, the cathode sealant, and the cell Provided is a solid oxide fuel cell module in which a fuel inlet and an air inlet are connected through a frame, the anode sealing material.
본 발명은 또한, 상기 양극 밀봉재 재료는 Ni, Cu, Ag 또는 Zr을 포함하는 합금 또는 스테인레스 합금인, 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.The present invention also provides a solid oxide fuel cell module, wherein the cathode sealing material is an alloy or stainless alloy containing Ni, Cu, Ag or Zr.
본 발명은 또한, 상기 셀 및 셀 포켓은 사각형이고 상기 사각형의 각 꼭지점부에는 셀의 위치를 고정용 셀 가이드가 위치하는 확장공간인 코너포켓이 형성되는, 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.The present invention also provides a solid oxide fuel cell module, wherein the cell and the cell pocket are quadrangular, and corner pockets are formed at each vertex of the quadrangle, which is an extended space in which a cell guide for fixing the position of the cell is located.
본 발명은 또한, 상기 셀 밀봉재 및 음극 밀봉재는 글라스, 마이카 또는 글라스와 마이카 하이브리드 밀봉재인, 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.The present invention also provides a solid oxide fuel cell module, wherein the cell sealing material and the negative electrode sealing material are glass, mica, or a glass and mica hybrid sealing material.
본 발명은 또한, 상기 셀 가이드의 재료는 세라믹 또는 마이카인, 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.The present invention also provides a material of the cell guide is ceramic or mica, a solid oxide fuel cell module.
본 발명은 또한, 상기 분리판 중앙에는 기체유로가 양면으로 형성된, 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.The present invention also provides a solid oxide fuel cell module in which gas flow paths are formed on both sides in the center of the separator.
본 발명은 또한, 상기 어느 하나의 연료전지 모듈을 복수개 적층하되, 상기 각 모듈의 연료출입부 및 공기출입부는 각각 서로 연결되는, 고체산화물 연료전지 스택을 제공한다.The present invention also provides a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of one of the fuel cell modules is stacked, and the fuel inlet and air outlet of each module are respectively connected to each other.
본 발명의 고체산화물 연료전지 모듈 및 스택은 금속 브레이징을 구비한 양극 분리판과 셀 프레임, 평판형 셀 꼭지점에 셀 가이드를 포함하여, 고체산화물 연료전지의 양극 밀봉기술의 한계를 극복하고 셀 단락을 방지하여 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.The solid oxide fuel cell module and stack of the present invention includes a positive electrode separator equipped with metal brazing, a cell frame, and a cell guide at the vertices of a flat cell, thereby overcoming the limitations of the positive electrode sealing technology of the solid oxide fuel cell and preventing the cell short circuit. Structural stability can be improved.
도 1은 본 발명의 한 구현예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈의 (a)사시도 (b)분해도 및 (c)셀 프레임의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈의 (a)평면도, (b)셀 가이드 장착 방법을 나타내는 코너 포켓의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 한 구현예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈의 셀 가이드를 포함하는 단면의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 한 구현예에 따른 고체산화물 연료전지 스택의 분해도이다.
도 5는 본 발명의 한 구현예에 따른 고체산화물 연료전지 스택 내 유리밀봉 모듈과 브레이징 밀봉 모듈의 열충격 성능을 나타내는 평균 셀 전압 비교 그래프이다.
도 6은 셀 가이드가 없는 경우의 모듈을 사용하여 개방 전압을 측정한 그래프(a) 및 셀과 셀 프레임 간의 단락이 일어나는 모식도(b)이다.
도 7은 셀 가이드를 구비하는 모듈을 사용하여 개방전압을 측정한 그래프이다.1 is (a) perspective view (b) exploded view and (c) plan view of a cell frame of a solid oxide fuel cell module according to an embodiment of the present invention.
2 is (a) a plan view of a solid oxide fuel cell module according to an embodiment of the present invention, and (b) an enlarged view of a corner pocket showing a cell guide mounting method.
3 is a cross-sectional view illustrating a cell guide of a solid oxide fuel cell module according to an exemplary embodiment of the present invention.
4 is an exploded view of a solid oxide fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
5 is an average cell voltage comparison graph showing thermal shock performance of a glass sealing module and a brazing sealing module in a solid oxide fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph (a) in which an open circuit voltage is measured using a module in the absence of a cell guide, and a schematic diagram (b) in which a short circuit occurs between a cell and a cell frame.
7 is a graph illustrating an open circuit voltage measurement using a module having a cell guide.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Prior to the detailed description of the present invention, the terms or words used in the present specification and claims described below should not be construed as being limited to conventional or dictionary meanings. Therefore, the configuration shown in the embodiments and drawings described in the present specification is only the most preferred embodiment of the present invention and does not represent all the technical spirit of the present invention, so at the time of the present application, various It should be understood that there may be equivalents and variations.
한 양태에서 본 발명은 고체산화물 연료전지 모듈로, 상기 모듈은 양극부 및 음극부, 상기 양극부와 음극부 사이에 위치하는 치밀한 구조의 전해질을 포함하는 평판형 셀; 상기 평판형 셀의 양극부 측을 지지하며 배치되고 중앙개구부, 연료출입부 및 공기출입부를 구비하는 셀 프레임; 상기 셀 프레임과 양극 밀봉재로 접합되고 연료출입부 및 공기출입부를 구비하는 분리판; 상기 셀 프레임 하면과 접하며 배치되고 중앙개구부, 연료출입부 및 공기출입부를 구비하는 음극 밀봉재; 상기 셀 프레임의 중앙 개구부에 위치하는 양극 집전체; 및 상기 음극 밀봉재의 중앙 개구부에 위치하는 음극 집전체를 포함한다.In one aspect, the present invention provides a solid oxide fuel cell module, the module comprising: a flat cell including an anode and a cathode, and an electrolyte of a dense structure positioned between the anode and the cathode; a cell frame disposed to support the anode side of the flat cell and having a central opening, a fuel inlet and an air inlet; a separator joined to the cell frame by a cathode sealing material and having a fuel inlet and an air outlet; a cathode sealing material disposed in contact with a lower surface of the cell frame and having a central opening, a fuel inlet and an air inlet; a positive electrode current collector positioned in the central opening of the cell frame; and a negative electrode current collector positioned in the central opening of the negative electrode sealing material.
본 발명의 고체산화물 연료전지란, 3세대 연료전지로 불리며 산소 또는 수소 이온전도성을 띄고 고온(700℃ 내지 1000℃)에서 작동하는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지이다. 일반적인 SOFC는 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극부(양극부) 및 연료극부(음극부)으로 이루어져 있다. 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되며, 이 때 연료극에서 전자가 생성되고 공기극에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시킨다. 고체산화물 연료전지의 가동 조건으로 인해 양극 밀봉재는 음극 밀봉재에 비해 스택의 용량/적층 셀 수 증가에 따라 양 극의 공기유량이 증가하는 등의 가혹한 환경에서 구동되는데, 본 발명의 고체산화물 스택은 양극 밀봉재의 내구성을 증가시켜 연료전지 효율을 증가시키고자 한다.The solid oxide fuel cell of the present invention is called a third-generation fuel cell and is a fuel cell using a solid oxide as an electrolyte, which has oxygen or hydrogen ion conductivity and operates at a high temperature (700° C. to 1000° C.). A typical SOFC consists of an oxygen ion conductive electrolyte and a cathode (anode) and an anode (cathode) positioned on both sides of the electrolyte. Oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen at the cathode move to the anode through the electrolyte and react with hydrogen supplied to the anode to generate water. At this time, electrons are generated at the anode and electrons are consumed at the cathode. Two electrodes are connected to each other to generate an electric current. Due to the operating conditions of the solid oxide fuel cell, the anode sealing material is driven in a harsh environment, such as an increase in the air flow rate of the anode as the capacity/number of stacked cells increases, compared to the anode sealing material, and the solid oxide stack of the present invention is a positive electrode. It is intended to increase the fuel cell efficiency by increasing the durability of the sealing material.
도 1은 본 발명의 한 구현예에 따른 연료전지 모듈의 (a)사시도, (b)분해도 및 (c)셀 프레임의 평면도이다. 본 발명의 모듈(1)의 셀(11)은 음극부(연료극)와 양극부(공기극)를 포함하고 치밀한 구조의 전해질이 음극부와 양극부 사이에 위치한다. 한 구현예에서 상기 셀(11)은 사각 평판형 셀이다. 전해질은 연료와 가스가 혼합되지 않도록 구조가 치밀해야 하며, 산소이온의 전도도가 높고 전자전도도가 낮아야 한고, 이때 전해질을 구성하는 재료로는 세리아계 및 란타늄 갈레이트계 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 평판형 셀의 음극부의 재료는 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리합금 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고, 상기 이온전도성 전해질 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아(Sm doped-Ceria) 및 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates)중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어 질 수 있으며, 상기 이온전도성 전해질의 재료는 Y2O3-doped Zirconia 또는 Y, Sc 또는 Yb가 첨가된 zirconia, Y, Gd 또는 Sm이 첨가된 ceria 및 Sr과 Mg이 동시에 첨가된 LaGaO3 중에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기 양극부의 재료는 세라믹 및 세라믹-이온전도성 전해질 재료 복합체 중에서 선택되고, 상기 세라믹은 스트론튬 타이타늄 페라이트(Strontium titanium ferrite, STF), 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 코발타이트(Lanthanum strontium coblatite, LSC), 스트론튬 코발트 페라이트(Strontium cobalt ferrite, SFC), 바륨 스트론튬 코발트 페라이트(barium strontium cobalt ferrite, BSCF), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 및 란타늄 니켈(lanthanum nickelate, LNO)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며, 상기 이온전도성 전해질 재료는 Y, Sc 또는 Yb가 첨가된 zirconia, Y, Gd 또는 Sm이 첨가된 ceria 및 Sr과 Mg이 동시에 첨가된 LaGaO3 중에서 선택되는 하나 이상이다.1 is (a) a perspective view, (b) an exploded view, and (c) a plan view of a cell frame of a fuel cell module according to an embodiment of the present invention. The
본 발명에 따른 모듈의 셀 양극부 측에는 사각 평판형 셀의 측면을 감싸는 셀 포켓을 구비하여 셀의 양극부 측을 지지하며 배치되고, 중앙개구부, 연료출입부(15) 및 공기출입부(14)를 구비하는 셀 프레임(12)이 위치한다. 도 1 (b),(c) 및 도 3을 참조하면 상기 셀 프레임(12)의 셀 포켓(113)에 셀(11)이 위치하며, 상기 셀 프레임(12)의 중앙 개구부는 양극 집전체(32)가 위치되는 곳으로 셀(11)과 양극 집전체(32)의 사이즈에 따라 셀 포켓 및 중앙 개구부의 크기 및 형상을 달리 할 수 있다. 셀 프레임(12)의 상부 외측면에는 연료출입부(15) 및 공기출입부(14)를 구비하는 분리판(13)이 적층되며 상기 셀 프레임(12)과 분리판(13) 사이에는 양극 밀봉재(21)층이 형성되며, 양극 밀봉재에 의해 접합된다. 한 구현예에서 본 발명의 양극 밀봉재(21)는 브레이징 접합제를 사용할 수 있다.The cell anode side of the module according to the present invention is provided with a cell pocket surrounding the side surface of the square plate-type cell and is disposed to support the anode side of the cell, and the central opening, the
본 발명의 브레이징(brazing)이란, 납땜의 한 종류이며, 접합하려는 모재보다 녹는점이 낮은 비철금속 또는 그 합금(납재)을 용가재로 사용함으로써 모재를 거의 용융시키지 않고 납재만을 용융시켜 접합하는 접합 방법이다. 고체산화물 연료전지 구동에 있어서 양극부는 비교적 가혹한 환경에 노출되는데, 브레이징 접합제를 사용함으로써 간단하면서도 완벽하게 양극부를 밀봉시킬 수 있을 뿐만 아니라 고온 또는 급격한 온도 변화 환경에서 접합부의 열충격에 대한 저항력이 강하고 기계적 강도와 기밀성이 뛰어난 연료전지의 내구성과 성능을 향상시키는 효과가 있다. 본 발명의 브레이징 밀봉재는 셀 프레임(12) 외측면에 형성되며, 분리판(13)과 셀 프레임(12)의 밀봉을 용이하게 할 수 있다. 본 발명의 브레이징 밀봉은 포일(foil) 형태의 밀봉재 또는 페이스트 형태의 밀봉재를 사용할 수 있다. 상기 포일 형태의 밀봉재를 사용할 경우 연료출입부와 중앙 개구부, 공기출입부를 구비하는 포일을 사용할 수 있다. 상기 페이스트는 셀 프레임 최상부면을 따라 코팅하고 분리판과 접합하여 브레이징할 수 있다. Brazing of the present invention is a type of brazing, and by using a non-ferrous metal or its alloy (brazing material) having a lower melting point than the base material to be joined as a filler material, it is a joining method in which only the brazing material is melted without melting the base material. In driving a solid oxide fuel cell, the anode part is exposed to a relatively harsh environment. By using a brazing bonding agent, the anode part can be sealed simply and perfectly, and the bonding part has strong resistance to thermal shock in high temperature or abrupt temperature change environments and mechanically It has the effect of improving the durability and performance of fuel cells with excellent strength and airtightness. The brazing sealant of the present invention is formed on the outer surface of the
본 발명의 셀 프레임(12)과 분리판(13)은 금속제인 브레이징 밀봉으로 밀봉되기 때문에 상기 셀 프레임(12)과 셀(11)간의 절연은 필수 사항이다. 본 발명에서는 셀 프레임(12)과 셀(11)의 측면 절연을 위해, 본 발명의 모듈은 코너 포켓(111) 및 셀 가이드(112)를 구비함으로써 셀(11)의 절연을 수행한다. 도 2 및 도 3을 참조하면 상기 코너 포켓(111)은 본 발명의 셀 프레임(12)에 구비된 것으로, 셀 프레임(12)에 구비된 셀 포켓(113)의 꼭지점 부에 형성된다. 상기 셀 가이드(112)는 코너 포켓(111)에 장착되는 것으로, 셀 가이드(112)에 의해 셀(11)이 셀 포켓에 완전히 고정될 수 있으며, 이는 셀(11) 측면과 셀 프레임(12)의 접촉을 방지할 수 있다. 셀 가이드(112)는 구조적으로 단단한 절연체인 세라믹 또는 마이카를 사용할 수 있다. 상기 세라믹은 알루미나, 지르코니아, 마그네시아 및 실리카로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 절연성 산화물을 사용할 수 있다. 도 3을 참조하면 셀(11)과 셀 프레임(12)과 접할 수 있는 양극부의 일부는 글라스, 마이카 또는 글라스와 마이카의 하이브리드의 셀 밀봉재(23)를 사용하여 밀봉할 수 있다. Insulation between the
본 발명의 셀 프레임(12)의 하부는 스택 제조시 다른 모듈의 분리판(13)과 접하면서 적층되며, 분리판(13)과 접하는 부분에 음극 밀봉층(22)이 형성될 수 있다. 상기 음극 밀봉층(22)은 중앙 개구부를 구비하며, 중앙 개구부에는 음극 집전체(31)가 셀(11)의 음극과 접하며 위치한다. 음극 집전체(31)는 음극부의 측면에 위치해 음극에서 발전되는 전기를 모으는 역할을 할 수 있다. 상기 음극 밀봉재(22)는 글라스, 마이카 또는 글라스와 마이카의 하이브리드 밀봉재를 사용할 수 있다. 본 발명의 모듈은 셀 프레임(12), 분리판(13), 음극 밀봉재에 각각 구비된 공기출입부(14) 및/또는 연료출입부(15)는 적층되면서 서로 접하여 연결된다. 상기 분리판(13) 중앙에는 기체유로가 양면으로 형성될 수 있으며, 이는 연료 또는 공기의 출입을 용이하게 할 수 있다. The lower portion of the
또 다른 양태에서 본 발명은 전술한 고체산화물 연료전지 모듈을 사용한 고체산화물 연료전지 스택(stack)으로, 상기 스택은, 연료출입부(15) 및 공기출입부(14)를 구비한 복수개의 모듈(1)을 포함하며, 상기 각 모듈의 연료출입부(15) 및 공기출입부(14)는 각각 상하로 연결되도록 적층된 것이다. 도 4는 본 발명의 한 구현예에 따른 고체산화물 연료전지의 스택의 분해도를 나타낸다. 상기 스택은 복수개의 모듈(1)이 분리판(13)과 음극 밀봉재(22)가 접하도록 적층되는 것이고, 각 모듈의 공기출입부(14)와 연료출입부(15)가 연결되도록 적층된다. 공기는 공기출입부(14)로 통과할 수 있으며, 연료는 연료출입부(15)로 통과 할 수 있다. 상기 스택의 최상단의 모듈에는 분리판(13) 대신 금속 상부판(60a)을 사용하고 이는 상부 매니폴드(50a)와 연결된다. 하단의 모듈의 음극 밀봉재는 금속 하부판(61b)과 밀봉되며, 이는 공기출입부(14) 및 연료출입부(15)를 구비한 하부 매니폴드(50b)와 연결되어 연료전지를 구동시킬 수 있다. In another aspect, the present invention is a solid oxide fuel cell stack using the above-described solid oxide fuel cell module, wherein the stack includes a plurality of modules ( 1), wherein the
이하 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples are presented to help the understanding of the present invention. However, the following examples are only provided for easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
실시예Example
실시예 1 브레이징 양극 밀봉재에 따른 내구성 향상Example 1 Durability improvement according to brazed anode sealing material
본 발명의 고체산화물 연료전지 스택이 기존의 양극 밀봉재로 글라스 밀 봉재를 사용한 스택과 열충격 실험을 수행하여 연료전지의 내구성를 비교하였다. 열 충격 실험은 양극 밀봉재로 글라스와 브레이징를 각각 적용하여 상온~750℃ 온도를 반복하는 상온 열사이클 실험을 2회 수행하였다. 그 결과는 도 5에 기재되어 있다. 기존 밀봉방식인 양극에 글라스 밀봉재를 적용한 스택은 열 충격이 진행 될수록 초기전압 1.245V에서 1.236V까지 급격한 성능 감소를 나타내고 있는 반면, 양극에 브레이징 밀봉재를 적용한 본 발명의 스택은 초기전압 1.248V에서 열 충격 2회 반복 후에도 초기 전압과 다름 없는 1.249V로 성능이 유지되는 것을 확인하였다. 이는 양극에 브레이징을 적용한 스택은 기존 글라스 밀봉재 스택에 비해 열 충격에 대한 내구성이 우수한 것으로 판단된다. In the solid oxide fuel cell stack of the present invention, a thermal shock test was performed with a conventional stack using a glass sealing material as an anode sealing material to compare the durability of the fuel cell. For the thermal shock test, glass and brazing were applied as anode sealing material, respectively, and a room temperature thermal cycle experiment was performed twice at room temperature to 750°C. The results are shown in FIG. 5 . The stack in which the glass sealing material is applied to the anode, which is the conventional sealing method, shows a sharp decrease in performance from the initial voltage of 1.245V to 1.236V as the thermal shock progresses, whereas the stack of the present invention applying the brazing sealant to the anode exhibits thermal shock at the initial voltage of 1.248V. It was confirmed that the performance was maintained at 1.249V, which is the same as the initial voltage, even after repeated shocks twice. It is judged that the stack in which brazing is applied to the anode has superior durability against thermal shock compared to the conventional glass sealing material stack.
실시예 2 코너 포켓 및 셀 가이드에 의한 절연 효과Example 2 Insulation effect by corner pockets and cell guides
고용량 스택을 제조하기 위해서는 모듈이 여러 장 적층(예를 들어 1kW 스택의 경우 30~50장의 스택모듈이 적층됨)되는데, 이때 글라스 밀봉재를 사용하여 셀/셀 프레임을 절연하는 방법 및 셀 크기를 셀 프레임의 셀 포켓(113) 보다 작게하여 절연하는 방법은 고온에서 전처리 밀봉 시 스택이 수축하면서 셀이 구조적으로 뒤틀려 셀과 셀 프레임 간의 접촉이 일어날 수 있다. 셀과 셀 프레임 간의 접촉은 브레이징이 적용된 스택에는 치명적인 성능 저하 요인이며 이를 극복하기 위한 방법으로 코너 포켓과 셀 가이드를 이용한 절연을 수행하였다. 그 결과는 도 6 및 7에 기재되어 있다. 도 6은 셀 가이드가 없는 모듈을 사용하여 제작한 스택으로부터 각 모듈의 개방 전압을 측정한 그래프(a) 및 셀과 셀 프레임 간의 단락이 일어나는 부분의 모식도(b)이며, 도 7은 셀 가이드를 구비하는 모듈을 사용하여 제작한 스택으로부터 각 모듈의 개방전압을 측정한 그래프이다. 셀 가이드를 구비한 모듈로 제작한 스택은 모든 모듈에서 일정한 개방전압이 유지되는 것을 확인하였다. 이에 반해, 셀 가이드가 없는 모듈에서는 일부 음극과 셀 프레임 사이의 접촉에 의해 개방전압이 낮고 불안정한 값(v10)을 보이는 결과를 확인하였다. 이는 본 발명에서 셀 가이드를 적용함으로써 보다 안정한 출력전압의 스택을 제작할 수 있음을 나타낸다.In order to manufacture a high-capacity stack, multiple modules are stacked (for example, 30 to 50 stack modules are stacked for a 1 kW stack). At this time, the method of insulating the cell/cell frame using a glass sealant and the cell size are determined. In the method of insulating the frame by making it smaller than the
이상에서 본원의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본원의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본원의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본원의 권리범위에 속하는 것이다.Although the exemplary embodiments of the present application have been described in detail above, the scope of the present application is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present application as defined in the following claims are also included in the scope of the present application. will belong to
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.All technical terms used in the present invention, unless otherwise defined, have the meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art of the present invention. The contents of all publications herein incorporated by reference are incorporated herein by reference.
1. 모듈
11. 셀
12. 셀 프레임
13. 분리판
14. 공기출입부
15. 연료출입부
21. 양극 밀봉재
22. 음극 밀봉재
23. 셀 밀봉재
31. 음극 집전체
32. 양극 집전체
50a, 50b. 매니폴드
60a, 60b. 금속 상부판, 금속 하부판
111. 코너 포켓
112. 셀 가이드
113. 셀 포켓 1. Module
11. Cell
12. Cell Frame
13. Separator
14. Air intake
15. Fuel Inlet
21. Anode sealant
22. Cathode sealant
23. Cell sealant
31. Anode current collector
32. Positive current collector
50a, 50b. manifold
60a, 60b. metal top plate, metal bottom plate
111. Corner Pocket
112. Cell Guide
113. Cell Pocket
Claims (7)
상기 모듈은 양극부 및 음극부, 상기 양극부와 음극부 사이에 위치하는 치밀한 구조의 전해질을 포함하는 평판형 셀;
상기 평판형 셀의 상면 중앙과 하면이 노출되도록 상부에 중앙개구부가 관통된 셀 적치 공간인 셀 포켓을 하부면에 구비하고, 테두리부에는 연료출입부와 공기출입부를 포함하며, 상기 셀과 절연되도록 셀 상면 및 측면의 접촉부는 셀 밀봉재로 밀봉하는 셀 프레임;
상기 셀 프레임 상면에서 브레이징 밀봉재인 양극 밀봉재로 접합되고, 상기 셀 프레임의 연료출입부 및 공기출입부와 각각 이어지는 연료출입부 및 공기출입부를 포함하는 분리판;
상기 셀 프레임의 중앙 개구부에 위치하며 상기 셀 프레임의 중앙개구부에 노출된 셀의 상면과 상기 분리판 사이에 위치하는 양극 집전체;
상기 노출된 셀의 하면과 접하는 음극 집전체; 및
상기 음극 집전체의 측면을 둘러싸며, 상기 셀 프레임의 연료출입부 및 공기출입부와 각각 이어지는 연료출입부 및 공기출입부를 포함하는 음극 밀봉재를 포함하고,
상기 분리판, 상기 양극 밀봉재, 상기 셀 프레임, 상기 음극 밀봉재를 통해서 연료출입부 및 공기출입부는 연결되고,
상기 셀 밀봉재 및 음극 밀봉재는 글라스, 마이카 또는 글라스와 마이카 하이브리드 밀봉재인,
고체산화물 연료전지 모듈.
Solid oxide fuel cell module:
The module includes: a flat cell including an electrolyte having a dense structure positioned between the anode and the cathode, the anode and the cathode;
A cell pocket, which is a cell storage space through which a central opening is penetrated, is provided on the lower surface so that the center and the lower surface of the upper surface of the flat cell are exposed, and the rim includes a fuel inlet and an air inlet and insulated from the cell. The cell frame for sealing the upper surface and the side contact portion of the cell with a cell sealing material;
a separation plate joined by an anode sealing material, which is a brazing sealing material, on the upper surface of the cell frame, and including a fuel inlet and an air outlet connected to the fuel inlet and air outlet of the cell frame, respectively;
a positive electrode current collector positioned in the central opening of the cell frame and positioned between the separator and the upper surface of the cell exposed to the central opening of the cell frame;
a negative electrode current collector in contact with a lower surface of the exposed cell; and
It surrounds the side surface of the negative electrode current collector and includes a negative electrode sealing material including a fuel inlet and air outlet and a fuel inlet and air outlet respectively connected to the fuel inlet and air outlet of the cell frame,
The fuel inlet and the air inlet are connected through the separator, the anode sealing material, the cell frame, and the anode sealing material,
The cell sealing material and the negative electrode sealing material are glass, mica, or a glass and mica hybrid sealing material,
Solid oxide fuel cell module.
상기 양극 밀봉재 재료는 Ni, Cu, Ag 또는 Zr을 포함하는 합금 또는 스테인레스 합금인,
고체산화물 연료전지 모듈.
The method of claim 1,
The positive electrode sealing material is an alloy or stainless alloy containing Ni, Cu, Ag or Zr,
Solid oxide fuel cell module.
상기 셀 및 셀 포켓은 사각형이고 상기 사각형의 각 꼭지점부에는 셀의 위치 고정용 셀 가이드가 위치하는 확장공간인 코너포켓이 형성되는,
고체산화물 연료전지 모듈.
The method of claim 1,
The cells and the cell pockets are quadrangular, and corner pockets are formed at each vertex of the quadrangle, which is an extended space in which a cell guide for fixing the position of the cell is located.
Solid oxide fuel cell module.
상기 셀 가이드의 재료는 세라믹 또는 마이카인,
고체산화물 연료전지 모듈.
4. The method of claim 3,
The material of the cell guide is ceramic or mica,
Solid oxide fuel cell module.
상기 분리판 중앙에는 기체유로가 양면으로 형성된,
고체산화물 연료전지 모듈.
The method of claim 1,
In the center of the separation plate, gas flow paths are formed on both sides,
Solid oxide fuel cell module.
상기 적층되는 각 모듈의 연료출입부 및 공기출입부는 서로 연결되는,
고체산화물 연료전지 스택.A plurality of fuel cell modules of any one of claims 1 to 3 or 5 are stacked,
The fuel inlet and the air inlet of each stacked module are connected to each other,
Solid oxide fuel cell stack.
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KR1020190174819A KR102268562B1 (en) | 2019-12-26 | 2019-12-26 | Solid Oxide Fuel Cell Modules and Stacks |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20230072604A (en) | 2021-11-18 | 2023-05-25 | 서울시립대학교 산학협력단 | Unit cell for fuel cell |
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KR20100029331A (en) | 2008-09-08 | 2010-03-17 | 한국과학기술원 | Metal supported solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof |
JP2012230875A (en) * | 2011-04-27 | 2012-11-22 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Solid oxide fuel cell and manufacturing method of the same |
JP2015125981A (en) * | 2013-12-27 | 2015-07-06 | 日本特殊陶業株式会社 | Structure for fuel cell, fuel cell, and manufacturing method of structure for fuel cell |
-
2019
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Date | Code | Title | Description |
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E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |