KR20010017416A

KR20010017416A - A separator of molten carbonate fuel cell

Info

Publication number: KR20010017416A
Application number: KR1019990032914A
Authority: KR
Inventors: 이상욱
Original assignee: 윤영석; 한국중공업 주식회사
Priority date: 1999-08-11
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2001-03-05

Abstract

PURPOSE: A separator plate of a molten carbonate fuel cell is provided to compensate a micro-displacement generated from a creeping due to a long term operation of the fuel cell by arranging a low stiff slot in a manifold unit. CONSTITUTION: A slot plate(105) is arranged directly under a manifold unit(1) and an electrode unit(2) to form a high stiff slot(6) and a low stiff slot(106) as a gas passage, and a center plate(4) is arranged in an inside central portion. The low stiff slot(106) is shaped by cutting one inclined surface of the high stiff slot(6) to lower stiffness. The high stiff slot(6) is arranged inside an electrode unit outline of the slot plate(105) and the low stiff slot(106) is arranged outside the electrode unit outline of the slot plate(105). The electrode unit(2) has a high level of stiffness due to the high stiff slot(6), and the manifold unit(1) has a low level of stiffness due to the low stiff slot(106).

Description

Separator plate of molten carbonate fuel cell

본 발명은 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell; MCFC)의 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리판의 전극부내에 배치된 슬롯과 비교하여 상대적으로 저강성인 슬롯을 매니폴드부내에 배치하여 연료전지의 장기 운전에 따른 크립(creep)현상으로 인하여 발생되는 미소 변위를 보상하도록 한 MCFC의 분리판에 관한 것이다.The present invention relates to a separator plate of a molten carbonate fuel cell (MCFC), and more particularly, a slot having a relatively low rigidity compared to a slot disposed in an electrode part of a separator plate, The present invention relates to a separation plate of an MCFC that compensates for micro displacement caused by creep caused by long-term operation of a fuel cell.

주지와 같이, 연료전지는 전기화학 반응에 의해 반응물(수소와 산소)의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서 환경 조화성이 우수하고 높은 발전효율이 기대되고 있다.As is well known, a fuel cell is a power generation device that converts chemical energy of reactants (hydrogen and oxygen) directly into electrical energy by an electrochemical reaction, and is expected to have excellent environmental harmony and high power generation efficiency.

연료전지 중에서 MCFC는 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.In the fuel cell, MCFC uses carbonate melt as electrolyte, and its operating temperature is high at 650 ℃, so the electrochemical reaction is fast. Unlike low-temperature fuel cells, MCFC does not require precious metal catalysts such as platinum. When used together, thermal efficiency of 80% or more can be expected, which enables combined cogeneration with coal gasification.

연료전지의 단위셀은, 전기화학 반응이 일어나는 연료극(anode) 및 산소극(cathode)과, 연료가스와 산화제가스를 해당 전극으로 공급하기 위한 유로를 형성하는 분리판과, 해당 전극에서 발생된 전하를 포집하는 집전판과, 두 전극 사이에서 이온만 이동시키는 역할을 하는 전해질판과, 전해질이 함침될 수 있는 다공성 구조로 되어 용융된 탄산염을 흡수하여 수용하는 매트릭스로 이루어진다.The unit cell of the fuel cell includes an anode and an oxygen cathode in which an electrochemical reaction occurs, a separator forming a flow path for supplying fuel gas and an oxidant gas to the electrode, and charges generated from the electrode. It consists of a current collector plate to collect, an electrolyte plate that serves to move only ions between the two electrodes, and a porous structure in which the electrolyte can be impregnated to absorb and accept the molten carbonate.

도 1은 일반적인 분리판의 정면도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 분리판의 부분 단면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 슬롯의 개별 사시도이고, 도 4는 종래 기술에 따른 분리판의 슬롯 배열도이다.1 is a front view of a general separator plate, FIG. 2 is a partial cross-sectional view of a separator plate according to the prior art, FIG. 3 is an individual perspective view of the slot shown in FIG. 2, and FIG. 4 is a slot arrangement of the separator plate according to the prior art. It is also.

분리판은 연료극과 산소극이 배치되는 중앙의 전극부(2)와, 전극부(2)의 외곽에 위치하여 연료가스와 산화제가스의 누출을 방지하는 매니폴드부(1)로 이루어지며, 매니폴드부(1)에는 연료가스와 산화제가스를 해당 전극으로 공급하기 위한 매니폴드 구멍(3)이 형성된다.The separator consists of an electrode part 2 in the center where the fuel electrode and the oxygen electrode are disposed, and a manifold part 1 positioned outside the electrode part 2 to prevent leakage of fuel gas and oxidant gas. The fold section 1 is provided with a manifold hole 3 for supplying fuel gas and oxidant gas to the corresponding electrode.

분리판의 내부구조는 단면도를 통해 알 수 있듯이, 매니폴드부(1)와 전극부(2)의 바로 아래에 배치된 슬롯판(5)에 의해 가스 흐름 통로인 슬롯(6)이 형성되고, 내부 중앙부에는 센터판(4)이 배치된다.As can be seen from the cross-sectional structure of the separation plate, the slot 6, which is a gas flow passage, is formed by the slot plate 5 disposed directly below the manifold portion 1 and the electrode portion 2, The center plate 4 is disposed at the inner central portion.

슬롯판(5)에 형성된 대략 직사각형의 소실면(5a)에서 한 단변부터 센터판(4)까지 연장되어 소정 길이로 센터판(4)에 밀접한 후 다른 단변으로 연장되는 연장편(5b)에 의해 개별의 슬롯(6)이 형성된다.By an extension piece 5b extending from one short side to the center plate 4 in a substantially rectangular vanishing face 5a formed in the slot plate 5, close to the center plate 4 at a predetermined length, and then extending to the other short side. Individual slots 6 are formed.

이러한 슬롯(6)은 도 4에 나타낸 바와 같이 슬롯판(5)에서 전극부 외곽선(7)의 내·외부 전체에 동일한 형상으로 가공·배치된다.As shown in FIG. 4, the slot 6 is processed and arranged in the same shape on the entire inside and outside of the electrode portion outline 7 in the slot plate 5.

이와 같은 구조로 된 MCFC는, 연료극으로 연료가스를 공급하고 산소극으로 산화제가스를 공급하면 연료극에서 수소와 탄산이온이 반응하여 물과 탄산가스로 변하면서 전자가 발생되며, 산소극에서 탄산가스와 산소가 전자 2개와 반응하여 탄산이온으로 변화된다. 이때 전지전체에서는 수소와 산소가 반응하여 물이 생성되는 반응이다.In the MCFC having such a structure, when fuel gas is supplied to the fuel electrode and oxidant gas is supplied to the oxygen electrode, hydrogen and carbonate ions react at the fuel electrode to change into water and carbon dioxide gas, and electrons are generated. Oxygen reacts with the two electrons and turns into carbonate ions. At this time, in the entire battery, hydrogen and oxygen react to produce water.

탄산염 전해질은 상온에서는 고체였다가 전지의 온도가 490℃가 되면 용융되기 시작하여 액체로 변하며, 전해질은 두 전극 사이에 형성된 매트릭스의 미세 기공에 함침되어 연료극 및 산소극에서 발생되는 전기화학 반응에 참가함으로써 이온 전도를 일으키는 역할을 하는 것이다.The carbonate electrolyte is solid at room temperature but begins to melt when the temperature of the battery reaches 490 ° C and becomes liquid. The electrolyte is impregnated in the micropores of the matrix formed between the two electrodes and participates in the electrochemical reaction generated at the anode and the anode. By doing so, it is responsible for causing ion conduction.

이와 같은 전기화학 반응에 의해 직류전력이 얻어지는데, 단위셀의 전압은 정격방전시에 약 0.8V로 낮기 때문에 실제 발전에서는 단위셀을 다수 적층하여 전압을 높이고, 셀 면적을 증가시켜 고출력화를 달성하게 된다. 이때 단위셀을 여러 단으로 적층한 것을 스택(stack)이라고 부른다.The DC power is obtained by such an electrochemical reaction. Since the unit cell voltage is low at about 0.8 V at the rated discharge, in actual power generation, a plurality of unit cells are stacked to increase the voltage and increase the cell area to achieve high output. Done. In this case, a stack of unit cells in multiple stages is called a stack.

그런데, 이러한 MCFC는 전극부(2)의 두께가 매니폴드부(1)의 두께보다 약간 더 두껍게 제작되어 있으나 스택으로부터의 자체 하중과 고온에서의 소결 등으로 인하여 장시간의 운전시에 다공성 연료극의 두께가 수축되고 미세 기공 구조가 변형되는 크립현상이 발생된다.In the MCFC, the thickness of the electrode portion 2 is slightly thicker than that of the manifold portion 1, but the thickness of the porous anode during long-time operation due to self-load from the stack and sintering at high temperature. Is contracted and a creep phenomenon occurs in which the micropore structure is deformed.

이러한 크립현상은 주로 전극의 두께 수축으로 측정되는데, 연료극의 재질로 많이 쓰이는 니켈은 실제 스택에서 사용될 경우 대략 50%의 두께 수축을 유발한다. 이와 같은 연료극 표면의 불균일한 크립현상은 전극과 매트릭스와의 접촉을 불량하게 하여 반응가스의 누출을 유발할 수 있으며, 전극의 기공도를 축소시켜 반응면적을 감소시키는 단점을 야기시킨다.This creep phenomenon is mainly measured by the thickness shrinkage of the electrode. Nickel, which is widely used as a material for anodes, causes about 50% thickness shrinkage when used in actual stacks. Such non-uniform creep phenomenon on the surface of the anode may lead to poor contact between the electrode and the matrix, causing leakage of the reaction gas, and reducing the porosity of the electrode to reduce the reaction area.

전술한 바와 같은 MCFC에서 종래 기술에 따른 분리판의 슬롯판(5)에는 전극부 외곽선(7)의 내·외부 전체에 동일한 형상으로 슬롯(6)이 가공·배치되므로, 매니폴드부(1)와 전극부(2)에 배치되는 슬롯들이 모두 동일한 레벨의 강성을 갖는다.In the MCFC as described above, the slot plate 5 of the separator according to the prior art processes and arranges the slot 6 in the same shape on the entire inside and outside of the electrode portion outline 7, so that the manifold portion 1 is provided. And the slots disposed in the electrode portion 2 all have the same level of rigidity.

그러므로, 전극부(2)의 두께가 매니폴드부(1)의 두께보다 약간 더 두껍게 제작되어 있으나 고온 크립에 의해 전극부(2)의 두께가 수축되고 이로서 전지의 성능 저하를 유발하는 것이다.Therefore, although the thickness of the electrode part 2 is made slightly thicker than the thickness of the manifold part 1, the thickness of the electrode part 2 is contracted by high temperature creep, and this causes the performance of the battery.

따라서, 고온 크립에 의해 전극부(2)의 두께가 수축된 만큼을 매니폴드부(1)에서 보상하여야 할 필요성이 있다.Therefore, there is a need to compensate the manifold portion 1 for the shrinkage of the thickness of the electrode portion 2 due to the high temperature creep.

본 발명은 이를 위해 전극부내에 배치된 슬롯과 비교하여 상대적으로 저강성인 슬롯을 매니폴드부내에 배치하여 연료전지의 장기 운전에 따른 크립현상으로 인하여 발생되는 미소 변위를 보상함으로써, 전지의 성능이 극대화되도록 한 MCFC의 분리판을 제공하는 데 그 목적이 있다.To this end, the present invention provides a relatively low rigidity slot in the manifold to compensate for the micro displacement caused by the creep caused by long-term operation of the fuel cell. The purpose is to provide a separator plate for the MCFC.

도 1은 일반적인 용융탄산염 연료전지 분리판의 정면도.1 is a front view of a typical molten carbonate fuel cell separator.

도 2는 종래 기술에 따른 분리판의 부분 단면도.2 is a partial cross-sectional view of a separator according to the prior art.

도 3은 도 2에 도시된 슬롯의 개별 사시도.3 is an individual perspective view of the slot shown in FIG.

도 4는 종래 기술에 따른 분리판의 슬롯 배열도.Figure 4 is a slot arrangement of the separator plate according to the prior art.

도 5는 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지 분리판의 부분 단면도.5 is a partial cross-sectional view of a molten carbonate fuel cell separator in accordance with the present invention.

도 6은 도 5에 도시된 저강성 슬롯의 개별 사시도.FIG. 6 is an individual perspective view of the low rigidity slot shown in FIG. 5. FIG.

도 7은 본 발명에 따른 분리판의 슬롯 배열도.Figure 7 is a slot arrangement of the separator plate according to the present invention.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

1 : 매니폴드부 2 : 전극부1 manifold part 2 electrode part

4 : 센터판 6 : 고강성 슬롯4: center plate 6: high rigidity slot

7 : 전극부 외곽선 106 : 저강성 슬롯7: electrode outline 106: low rigidity slot

105 : 슬롯판 105a : 소실면105: slot plate 105a: vanishing surface

105b : 연장편105b: Extension

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 MCFC의 분리판은, 연료극과 산소극이 배치되는 중앙의 전극부와, 이 전극부의 외곽에 위치하여 연료가스와 산화제가스의 누출을 방지하는 매니폴드부로 이루어진 분리판을 구비하며, 상기 분리판내에는 가스 흐름 통로인 슬롯을 형성하는 슬롯판이 배치된 MCFC에 있어서:The separation plate of the MCFC according to the present invention for achieving this object is composed of a central electrode portion in which the fuel electrode and the oxygen electrode is disposed, and a manifold portion located outside the electrode portion to prevent leakage of fuel gas and oxidant gas. In a MCFC having a separator plate, the separator plate is arranged in the separator plate to form a slot which is a gas flow passage:

상기 슬롯판의 전극부 외곽선 내부에는 고강성의 슬롯들이 배치되고, 상기 전극부 외곽선 외부에는 상기 고강성의 슬롯과 비교하여 상대적으로 저강성인 슬롯들이 배치된 것을 특징으로 한다.Slots of high rigidity are disposed inside the electrode portion of the slot plate, and slots having relatively low rigidity are disposed outside of the electrode portion of the slot plate as compared with the slot of the high rigidity.

바람직하기로, 상기 저강성의 슬롯은 상기 슬롯판에 형성된 대략 직사각형의 소실면에서 한 단변부터 내부 중앙부의 센터판까지 연장되어 소정 길이로 상기 센터판에 밀접된 연장편에 의해 형성된 것을 특징으로 한다.Preferably, the low rigidity slot is formed by an extension piece which is extended from one short side to the center plate of the inner center portion at a substantially rectangular vanishing face formed in the slot plate and is in close contact with the center plate at a predetermined length. .

본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 실시예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.There may be a plurality of embodiments of the present invention, hereinafter will be described in detail with respect to the preferred embodiment. This embodiment allows for a better understanding of the objects, features and advantages of the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 MCFC 분리판의 부분 단면도이며, 도 6은 도 5에 도시된 저강성 슬롯의 개별 사시도이고, 도 7은 본 발명에 따른 분리판의 슬롯 배열도이다.Figure 5 is a partial cross-sectional view of the MCFC separator plate according to the present invention, Figure 6 is an individual perspective view of the low rigidity slot shown in Figure 5, Figure 7 is a slot arrangement of the separator plate according to the present invention.

본 발명에 따른 분리판의 내부구조는 단면도를 통해 알 수 있듯이, 매니폴드부(1)와 전극부(2)의 바로 아래에는 가스 흐름 통로인 고강성 슬롯(6) 및 저강성 슬롯(106)을 형성하는 슬롯판(105)이 배치되며, 내부 중앙부에는 센터판(4)이 배치된다.As can be seen from the cross-sectional structure of the separator according to the present invention, a high rigidity slot 6 and a low rigidity slot 106 which are gas flow passages directly under the manifold portion 1 and the electrode portion 2. Slot plate 105 is formed to form a, the center plate 4 is disposed in the inner central portion.

개별의 고강성 슬롯(6)은 종래 기술에서와 같이, 슬롯판(105)에 형성된 대략 직사각형의 소실면(5a)에서 한 단변부터 센터판(4)까지 연장되어 소정 길이로 센터판(4)에 밀접한 후 다른 단변으로 연장되는 연장편(5b)에 의해 형성된다.The individual high rigidity slots 6 extend from one short side to the center plate 4 in the substantially rectangular vanishing face 5a formed in the slot plate 105, as in the prior art, to the center plate 4 at a predetermined length. It is formed by the extension piece 5b which adjoins to and extends to another short side.

개별의 저강성 슬롯(106)은 슬롯판(105)에 형성된 대략 직사각형의 소실면(105a)에서 한 단변부터 센터판(4)까지 연장되어 소정 길이로 센터판(4)에 밀접된 연장편(105b)에 의해 형성된다. 즉 고강성 슬롯(6)의 한 쪽 경사면을 절단한 형태로 저강성 슬롯(105)을 제작한다.The individual low rigidity slot 106 extends from one short side to the center plate 4 in the substantially rectangular vanishing face 105a formed in the slot plate 105 and is closely attached to the center plate 4 by a predetermined length ( 105b). That is, the low rigidity slot 105 is produced by cutting one inclined surface of the high rigidity slot 6.

고강성 슬롯(6)들은 슬롯판(105)의 전극부 외곽선(7) 내부에 가공·배치되고, 저강성 슬롯(106)들은 전극부 외곽선(7) 외부에 가공·배치된다. 여기서 고강성 슬롯(6)은 종래 기술의 슬롯(6)과 동일한 것으로 저강성 슬롯(106)과의 차별성을 부각시키기 위하여 개칭한 것에 불과하다.The high rigidity slots 6 are processed and arranged inside the electrode portion outline 7 of the slot plate 105, and the low rigidity slots 106 are processed and arranged outside the electrode portion outline 7. Here, the high rigidity slot 6 is the same as the slot 6 of the prior art and is merely renamed to highlight the difference from the low rigidity slot 106.

이와 같은 구조로 된 분리판에서, 전극부(2)는 고강성 슬롯(6)들이 배치되어 있으므로 높은 레벨의 강성을 가지며, 매니폴드부(1)는 저강성 슬롯(106)들이 배치되어 있으므로 낮은 레벨의 강성을 가진다.In the separator plate having such a structure, the electrode portion 2 has a high level of rigidity because the high rigidity slots 6 are disposed, and the manifold portion 1 has a low level because the low rigidity slots 106 are disposed. Has level stiffness

따라서, 스택으로부터의 자체 하중과 고온에서의 소결 등으로 인하여 장시간의 운전시에 전극부(2)의 두께가 수축되더라도 이때 발생된 미소 변위는 매니폴드부(1)에 배치된 저강성 슬롯(106)에 의해 보상된다.Therefore, even if the thickness of the electrode portion 2 shrinks during a long time operation due to self-load from the stack and sintering at a high temperature, the micro displacement generated at this time is the low rigidity slot 106 disposed in the manifold portion 1. Is compensated by

그러므로, 고온 크립에 의해 전지의 성능이 저하되는 것을 최소화하여 전지 성능이 극대화되는 것이다.Therefore, the battery performance is maximized by minimizing deterioration of the battery performance due to high temperature creep.

상술한 바와 같이 본 발명은, 전극부내에 배치된 슬롯과 비교하여 상대적으로 저강성인 슬롯을 매니폴드부내에 배치하여 연료전지의 장기 운전에 따른 크립현상으로 인하여 발생되는 미소 변위를 보상함으로써, 전지의 성능이 극대화되는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, a slot having a relatively low rigidity compared to a slot disposed in an electrode part is disposed in a manifold to compensate for the micro displacement caused by creep caused by long-term operation of the fuel cell. The effect is to maximize performance.

Claims

And a separating plate including a central electrode portion in which a fuel electrode and an oxygen electrode are disposed, and a manifold portion positioned outside the electrode portion to prevent leakage of fuel gas and oxidant gas. In a molten carbonate fuel cell having a slot plate forming a:

Separation plate of the molten carbonate fuel cell, characterized in that the slots of the high rigidity is disposed inside the outer edge of the slot plate, the slots that are relatively low rigidity compared to the slot of the high rigidity is disposed outside the outer edge of the electrode portion. .

The method of claim 1,

The slot of the low rigidity is a molten carbonate fuel cell, characterized in that formed by an extension piece which extends from one short side to the center plate of the inner central portion at a substantially rectangular vanishing face formed in the slot plate and is in close contact with the center plate at a predetermined length. Separator.