KR20010016755A - 용융탄산염 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융탄산염 연료전지에 관한 것으로, 전해질판 및 매트릭스가 소정의 무게비에 의하여 여러 개로 나뉘어 어느 하나의 전해질판(171)이 연료극(110)에 맞닿게 적층되며, 연료극(110) 및 산소극(120)이 적절한 두께로 제조되고, 매트릭스(181,182)가 다층으로 적층되어, 전해질이 연료극(110)의 기공내로 원활히 함침되므로 성능 및 내구성이 향상되며, 그 접촉저항이 최소화되고, 가스 기밀성이 최대한 유지되어 단락의 우려가 최소화되는 이점이 있다.

Description

용융탄산염 연료전지{A molten carbonate fuel cell}

본 발명은 용융탄산염 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전해질판을 소정의 무게비에 의하여 여러 개로 나누어 어느 하나의 전해질판을 연료극에 맞닿게 적층하여 궁극적으로 성능 및 내구성이 향상되도록 한 용융탄산염 연료전지에 관한 것이다.

주지와 같이, 연료전지는 전기화학 반응에 의해 반응물(수소와 산소)의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서 환경 조화성이 우수하고 높은 발전효율이 기대되고 있다.

연료전지 중에서 용융탄산염 연료전지는 탄산염의 용융물을 전해질로 사용하여 작동온도가 650℃로 높기 때문에 전기화학 반응의 속도가 빨라 저온형 연료전지와는 달리 백금 등의 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 전기와 고온의 배열을 함께 이용할 경우 80% 이상의 열효율을 기대할 수 있어 석탄 가스화에 의한 복합 열병합 발전이 가능하다.

연료전지에 사용되는 연료가스로서는 천연가스(메탄)나 개질된 혼합수소를 사용하며, 산화제가스로서 공기와 이산화탄소를 사용하고, 전해질로서 탄산리튬(Li₂CO₃)과 탄산칼륨(K₂CO₃)의 혼합물을 사용한다. 탄산리튬과 탄산칼륨의 혼합비율은 몰비로 62 대 38이며, 이것의 융점은 약 488℃이다.

용융탄산염 연료전지는 650℃ 부근의 온도에서 운전되므로 이 온도에서 탄산염이 용융되어 물과 유사한 점성을 지닌 액체로 되어 탄산이온(CO₃ ^2-)의 전도성을 보이게 된다.

연료극(anode)으로 연료가스를 공급하고 산소극(cathode)으로는 산화제가스를 공급하면 각각의 전극에서 전기화학반응이 발생하여 직류전력이 얻어진다. 이때 전지전체에서는 수소와 산소가 반응하여 물이 생성되는 반응이다.

용융탄산염 연료전지의 단위전지(unit cell) 전압은 정격방전시에 약 0.8V로 낮기 때문에 실제 발전에서는 기본 구성셀인 단위전지를 다수 적층하여 전압을 높이고, 셀 면적을 증가시켜 고출력화를 달성하게 된다. 이때 단위전지를 여러 단 적층한 것을 스택(stack)이라고 부른다.

도 1은 종래 기술에 따른 용융탄산염 연료전지의 단위전지 단면도이다.

이에 나타낸 바와 같이 연료전지는, 연료가스의 수소와 탄산이온이 반응하여 물과 탄산가스로 변하면서 전자가 발생되는 연료극(1)과, 산화제가스의 탄산가스와 산소가 전자 2개와 반응하여 탄산이온으로 변하는 산소극(2)과, 연료전지 몸체를 지지하며 연료가스와 산화제가스가 격리되어 연료극(1)과 산소극(2)으로 공급되는 가스의 유로를 형성하는 상분리판(3) 및 하분리판(4)과, 연료극(1)을 지지하며 연료극(1)에서 발생된 전하를 포집하는 연료극집전판(5)과, 산소극(2)을 지지하며 산소극(2)에서 발생된 전하를 포집하는 산소극집전판(6)과, 연료극(1)과 산소극(2)과의 사이에서 이온만 이동시키는 역할을 하는 전해질판(7)과, 이 전해질판(7)의 형태를 유지시키는 기능을 하며 기공이 존재하여 전해질이 함침될 수 있는 다공성 구조로 되어 용융된 탄산염을 흡수하여 수용하는 매트릭스(8)로 구성된다.

이와 같이 구성된 용융탄산염 연료전지는, 전극(1,2)과 분리판(3,4)과의 접촉 및 전극(1,2)과 매트릭스(8)와의 접촉 저항을 줄이기 위해 스택을 실린더로 가압하는데, 650℃로 온도를 올리면 전해질은 액체로 변하여 매트릭스(8)의 기동 사이로 침투되어 없어지고, 용융된 전해질은 매트릭스(8) 기공 사이를 채우며 전극(1,2)의 기공으로 들어간다. 이러한 스택의 성능이 일정하게 유지되려면 전극(1,2) 및 매트릭스(8)에 전해질이 고루 분포되어 수소와 산소가 각각 전극반응에 참여하여야 한다.

전해질판(7)은 그 적층 순서에 의하면 두장의 매트릭스(8) 사이에 장착되며, 전처리 조건을 거쳐 온도가 650℃로 올라가면 용융되어 매트릭스(8)내로 함침된다.

전해질이 함침되면 연료극(1)에는 수소가스와 탄산가스 및 물이 들어가는데, 그 비율은 72:18:10으로 혼합된다.

산소극(2)에는 공기와 탄산가스를 70:30의 비율로 공급하고 단위면적당 연료극(1)에는 수소가스를 기준으로 2.88cc를 흘리며 산소극(2)에는 산소를 기준으로 1.44cc를 흘리면 o.c.v가 1.13V로 측정된다. 이때 로드(load)를 단위면적당 150㎃로 걸면 단위셀당 정격방전전압은 0.8V 이상으로 나타난다.

전술한 바와 같이 용융탄산염 연료전지는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째: 약 40,000시간을 운전목표로 하는 용융탄산염 연료전지의 내구성에 영향을 미치는 요소 중 전해질의 효율적인 관리가 하나를 차지하며, 양극반응이 일어나는 연료극의 기공내에 전해질이 원활히 함침되지 않아 성능과 내구성이 미진하다.

둘째: 내부저항을 줄이기 위하여 전극, 매트릭스, 분리판, 집전판 등의 접촉저항을 최소화하여야 하는데 고온에서 작동하기 때문에 금속재료인 연료극은 열에 의해 그 부피가 감소하고, 산소극은 승온과정 중 약 400∼500℃ 구간에서 니켈이 니켈산화물로 상변태가 일어나 부피변화가 일어나는데, 상변화가 일어나기 전까지는 금속으로서의 부피감소가 일어나므로 이로 인하여 접촉저항이 증가된다.

셋째: 매트릭스의 경우 세라믹 성질을 가져 고온에서 매우 취약하고 산소극의 경우 운전 중 전해질에 녹아서 매트릭스내에 석출하는 현상이 생기고 석출된 니켈입자가 매트릭스의 두께방향으로 띠를 형성하는 크랙(crack)이 발생되어 전지의 단락으로 연결되기 쉽다.

따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 제안한 것으로서, 전해질판을 소정의 무게비에 의하여 여러 개로 나누어 어느 하나의 전해질판을 연료극에 맞닿게 적층함으로써, 전해질이 연료극의 기공내로 원활히 함침되게 하여 궁극적으로 성능 및 내구성을 향상시키는 데 그 목적이 있다.

부수적으로는, 연료극 및 산소극을 적절한 두께로 제조하고 매트릭스를 여러 장으로 적층하여, 전극의 접촉저항을 최소화시키며 가스 기밀성을 최대한 유지시킨다.

도 1은 종래 기술에 따른 용융탄산염 연료전지의 단위전지 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지의 단위전지 단면도.

도 3은 도 2의 주요부분 확대도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

3 : 상분리판 4 : 하분리판

5 : 연료극집전판 6 : 산소극집전판

110 : 연료극 120 : 산소극

171 : 제1 전해질판 172 : 제2 전해질판

181 : 제1 매트릭스 182 : 제2 매트릭스

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지는, 연료가스와 전기화학 반응하는 연료극과, 산화제가스와 전기화학 반응하는 산소극과, 상기 연료가스와 산화제가스가 격리되어 상기 연료극과 산소극으로 공급되는 가스의 유로를 형성하는 상분리판 및 하분리판과, 상기 연료극에서 발생된 전하를 포집하는 연료극집전판과, 상기 산소극에서 발생된 전하를 포집하는 산소극집전판과, 상기 연료극과 산소극과의 사이에서 이온만 이동시키는 역할을 하는 전해질판과, 전해질이 함침될 수 있는 다공성 구조로 되어 용융된 탄산염을 흡수하여 수용하는 매트릭스를 포함하는 용융탄산염 연료전지에 있어서:

상기 전해질판 및 매트릭스는 각각 소정의 무게비에 의해 적어도 두 개 이상으로 나뉘어 어느 하나의 전해질판은 상기 연료극의 상부에 맞닿게 적층되고, 그 상부에 이외의 전해질판 및 매트릭스가 교번으로 적층된다.

본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 가장 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 종래 기술과 동일한 구성요소에 대하여 그 참조부호를 동일하게 명기하고 그 설명을 생략하기도 한다.

도 2는 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지의 단위전지 단면도이고, 도 3은 도 2의 주요부분 확대도이다.

이에 나타낸 바와 같이 본 발명의 연료전지는, 연료가스의 수소와 탄산이온이 반응하여 물과 탄산가스로 변하면서 전자가 발생되는 연료극(110)과, 산화제가스의 탄산가스와 산소가 전자 2개와 반응하여 탄산이온으로 변하는 산소극(120)과, 연료전지 몸체를 지지하며 연료가스와 산화제가스가 격리되어 연료극(110)과 산소극(120)으로 공급되는 가스의 유로를 형성하는 상분리판(3) 및 하분리판(4)과, 연료극(110)을 지지하며 연료극(110)에서 발생된 전하를 포집하는 연료극집전판(5)과, 산소극(120)을 지지하며 산소극(120)에서 발생된 전하를 포집하는 산소극집전판(6)과, 연료극(110)의 상부에 맞닿게 적층되어 연료극(110)과 산소극(120)과의 사이에서 이온만 이동시키는 역할을 하는 제1 전해질판(171) 및 동일 기능을 수행하는 제2 전해질판(172)과, 전해질판(171,172)의 형태를 유지시키는 기능 및 기공이 존재하여 전해질이 함침될 수 있는 다공성 구조로 되어 용융된 탄산염을 흡수하여 수용하는 기능을 수행하며 상기 제2 전해질판(172)과 함께 상기 제1 전해질판(171)의 상부에 교번으로 적층된 제1, 제2 매트릭스(181,182)로 구성된다.

제1, 제2 전해질판(171,172)의 전체 무게는 제1, 제2 매트릭스(181,182)의 전체 무게보다 1.0∼1.5배의 양을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 본 발명자가 여러 차례에 걸쳐 실시한 성능 실험의 결과값이며, 이때 전지 성능이 극대화됨을 알 수 있었다.

제1 전해질판(171)과 제2 전해질판(172)의 무게비는 30:70 내지 60:40으로 제조되는 것이 바람직하다. 다시 말해서 연료극(110)의 상부에 적층된 제1 전해질판(171)의 무게는 전체 전해질판(171,172) 무게의 30∼60%로 제조된다.

그러면, 전해질이 용융시에 연료극(110)의 기공속으로 원활하게 함침되는데, 그 이유는 연료극(110) 기공의 평균직경보다 제1, 제2 매트릭스(181,182) 기공의 평균직경이 5∼10배 작아 모세관 현상에 의하여 인접한 제1 매트릭스(181)에 보다 많이 함침하지만 제1, 제2 전해질판(171,172)이 승온과정에서 서서히 액화하므로 연료극(110)에 인접한 제1 전해질판(171)의 전해질은 연료극(110)의 기공내로 보다 많이 함침되는 것이다.

연료극(110)의 두께(t₁)는 하분리판(4)의 전극부 깊이(d)에서 연료극집전판(5)의 두께(t₂)를 차감한 값보다 0.05∼0.1㎜ 상위하게 제조된다. 그러면, 승온과정 운전 중 일어나는 부피변화에 관계없이 초기 접촉저항값이 유지된다.

아울러, 동일한 이유로 산소극(120)의 두께는 상분리판(3)의 전극부 깊이에서 산소극집전판(6)의 두께를 차감한 값보다 0.06∼0.12㎜ 상위하게 제조된다.

연료극(110)의 두께(t₁) 및 산소극(120)의 두께 또한 본 발명자가 여러 차례에 걸쳐 실시한 성능 실험의 결과값이다.

또한, 제1, 제2 매트릭스(181,182)로 나뉘어 다층으로 적층되므로 단층으로 적층할 때보다 기계적인 강도가 우수하며, 열충격에 의해 어느 하나의 매트릭스에 크랙이 발생하더라도 가스 기밀성이 유지된다.

여기서, 도 2에는 전해질판과 매트릭스가 두 개로 나뉘어 교번으로 적층된 상태를 도시하였지만 본 발명 특허청구범위의 기술적 사상으로부터 알 수 있듯이 세 개 또는 그 이상으로 나누더라도 어느 하나의 전해질판이 연료극(110)의 상부에 맞닿게 적층되면 동등 이상의 기능이 발휘된다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 전해질판이 연료극에 맞닿게 적층되어 전해질이 연료극의 기공내로 원활히 함침되므로 성능 및 내구성이 향상되며, 연료극 및 산소극을 적절한 두께로 제조하여 그 접촉저항이 최소화되고, 매트릭스가 다층으로 적층되므로 가스 기밀성을 최대한 유지하여 단락의 우려가 최소화되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 연료가스와 전기화학 반응하는 연료극과, 산화제가스와 전기화학 반응하는 산소극과, 상기 연료가스와 산화제가스가 격리되어 상기 연료극과 산소극으로 공급되는 가스의 유로를 형성하는 상분리판 및 하분리판과, 상기 연료극에서 발생된 전하를 포집하는 연료극집전판과, 상기 산소극에서 발생된 전하를 포집하는 산소극집전판과, 상기 연료극과 산소극과의 사이에서 이온만 이동시키는 역할을 하는 전해질판과, 전해질이 함침될 수 있는 다공성 구조로 되어 용융된 탄산염을 흡수하여 수용하는 매트릭스를 포함하는 용융탄산염 연료전지에 있어서:

   상기 전해질판 및 매트릭스는 각각 소정의 무게비에 의해 적어도 두 개 이상으로 나뉘어 어느 하나의 전해질판은 상기 연료극의 상부에 맞닿게 적층되고, 그 상부에 이외의 전해질판 및 매트릭스가 교번으로 적층된 것을 특징으로 한 용융탄산염 연료전지.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전체 전해질판의 무게는 전체 매트릭스 무게의 1.0∼1.5배로 규정된 것을 특징으로 한 용융탄산염 연료전지.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 연료극 상부에 적층된 전해질판의 무게는 전체 전해질판 무게의 30∼60%로 규정된 것을 특징으로 한 용융탄산염 연료전지.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 연료극의 두께는 상기 하분리판의 전극부 깊이에서 상기 연료극집전판의 두께를 차감한 값보다 0.05∼0.1㎜ 상위하게 규정되며, 상기 산소극의 두께는 상기 상분리판의 전극부 깊이에서 상기 산소극집전판의 두께를 차감한 값보다 0.06∼0.12㎜ 상위하게 규정된 것을 특징으로 한 용융탄산염 연료전지.