KR200301281Y1

KR200301281Y1 - 용융 탄산염 연료전지

Info

Publication number: KR200301281Y1
Application number: KR2019980020765U
Authority: KR
Inventors: 박석희; 최영태
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 1998-10-29
Filing date: 1998-10-29
Publication date: 2003-03-19
Also published as: KR20000008896U

Abstract

목적 : 전해질판의 지지체로 사용되어지는 매트릭스의 강도를 강화하고 캐소우드 전극에서 용해되는 니켈이 성장하여 애노드 전극으로 이동하는 것을 억제할 수 있는 용융 탄산염 연료전지를 제공하는 것이 목적이다.

구성 : 캐소우드 전극(20)과 애노드 전극(22)의 사이에 배치되는 매트릭스(28)(30)와 전해질판(24)(26)을 적어도 2장 이상씩 서로 교번되게 배치하고, 매트릭스(28)와 매트릭스(30) 사이에 카본 파이버로 제조된 보강체(42)가 배치되는 용융 탄산염 연료전지를 제공한다.

효과 : 캐소우드 전극에서의 용해반응으로 인해 용해되는 니켈이 애노드 전극으로 이동하는 것을 막아 전기적 쇼트를 차단함으로써 전지의 성능을 개선시키고, 나아가 연료전지의 수명도 향상시키며, 카본 파이버는 구하기가 용이하고 가격도 저렴한 편이어서 생산성이 향상된다. 아울러, 카본 파이버로 제조된 보강체는 매트릭스의 강도를 강화시킬 수 있다.

Description

용융 탄산염 연료전지

본 고안은 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell;이하 MCFC라 칭함)에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전해질판을 지지하는 데 사용되는 매트릭스의 강도를 증가시키고 연료전지의 사용 중에 캐소우드 전극에서 용해되는 니켈이 성장하여 애노드 전극측으로 이동하는 것을 억제하도록 하는 용융 탄산염 연료전지에 관한 것이다.

연료전지(燃料電池)는 반응물의 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환시키는 고효율, 저공해의 발전장치이다. 발전효율이 높고 회전 부분이 없는 전원, 특히 우주선이나 이동용 전원으로서 사용이 기대되고 있다.

MCFC는 캐소우드와 애노드의 사이에 전해질판이 개재(介在)되어서, 캐소우드 전극에서 반응물의 산화 반응이 일어나 외부 회로에 전자를 공여하고, 애노드 전극에서는 캐소우드에서 공여된 전자에 의한 환원 반응이 일어나 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어준다.

MCFC의 기본구조는 전극과 전해질판, 매트릭스가 발전체의 기본 요소로써 셀을 형성하고, 이 셀과 분리판은 번갈아 다수 겹쳐 쌓아져 적층체를 생성한다. 이 적층체의 측면에는 각 셀로 연료, 산화제를 균등하게 배분하기 위한 매니홀드(manifold)가 배치된다.

좀 더 상세하게, 상기 적층체의 구조는 도 7에 도시한 바와 같이 애노드(anode;2) 전극과 캐소우드(cathode;4) 전극 및 이들 사이에 전해질이 함침된 매트릭스(6)가 개재(介在)되고, 상기 전극(2)(4)에는 집전체(8)(10)가 밀착되어져 매트릭스(6)와 연료가스의 반응에 의해 발생된 전하를 포집하며, 이들은 스테인레스강으로 제조되는 상하부 분리판(12)(14)과 세라믹으로 제조되는 매트릭스(14)에 의해 지지되어 어셈블리됨으로써 단전지를 구성하는 것이다.

여기서, 상기 애노드 전극(2)은 니켈-크롬(Ni-Cr)을 혼합한 소결체로 제조하고, 캐소우드 전극(4)은 산화니켈(NiO)로 제조되며, 전해질로 리튬 카보네이트(Lithium carbonate)와 포타슘 카보네이트(Potassium carbonate)와 같은 탄산염 알칼리를 500℃이하에서 용융하여 사용하고 가장 널리 사용되는 조성은 490℃에서 공융점(eutectic point)을 갖는 62mol% Li₂CO₃-38mol% K₂CO₃의 혼합물이다.

이러한 전해질은 매트릭스(6)에 의해 흡수되고 지지되어지는데, 리튬알루미네이트(LiAlO₂)로 제조되어지며 캐소우드 전극(4)에서 생성된 탄산이온이 애노드 전극(2)으로 이동될 때 통로를 제공한다. 또한 캐소우드 전극(4)과 애노드 전극(2)을 전기적으로 절연시키고, 각 전극(4)(6)으로 유입되는 연료 및 공기 등의 반응물이 전지 내부에서 서로 혼합되지 않도록 하며 웨트 실(wet seal) 기능으로 전지 외부로의 가스 노출을 방지하는 역할도 한다.

상기 매트릭스(6)의 성능은 주로 전지의 내부 저항, 연료가스의 교차(gas cross-over), 웨트 실 기능에 의하여 결정되며 적절한 기공분포와 안정한 구조를 유지하여야 좋은 성능을 나타낼 수 있다. 특히, 전해질인 탄산염은 500℃ 부근에서 상변이가 일어나므로 열사이클 등의 온도 변화에도 전해질을 지지하는 전체 매트릭스(6)의 구조에 변화가 일어나지 않도록 적절한 강도를 유지해야만 한다.

이를 위하여 종래에는 두가지 방법이 사용되었다.

우선, 그 첫 번째 방법으로 매트릭스(6)의 재료 분말인 리튬알루미네이트를 사용할 때 표면적이 10m²/g로 큰 것과 0.1m²/g작은 것을 혼합하여 사용하는 방법이다. 이는 표면적이 크고 입자가 고운 분말을 주로하고 여기에 표면적이 작고 입자가 큰 분말을 첨가하여 제조하게 되면 매트릭스(6)가 열충격 등으로 인해 균열이 생길 때 균열의 전파를 억제해 주는 역할을 한다.

두 번째 방법으로는 매트릭스(6)의 재료분말에 파이버 형태로 된 물질, 예를 들면 알루미나 파이버, 리튬알루미네이트 파이버 등을 첨가함으로써 매트릭스(6)의 강도를 증가시켜 준다.

통상적으로 당업계에서는 매트릭스(6)의 강도를 증가시키기 위하여 상술한 두 방법을 모두 취하고 있으나, 두 번째 방법에 사용되는 알루미나 파이버와 리튬알루미네이트 파이버의 단가가 무척 비싼 관계로 매트릭스의 제조단가가 상당히 높아지는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 감안하여 안출된 본 고안은 전해질판의 지지체로 사용되어지는 매트릭스의 강도를 강화하고 캐소우드 전극에서 용해되는 니켈이 성장하여 애노드 전극으로 이동하는 것을 억제할 수 있는 용융 탄산염 연료전지를 제공하는 것이 목적이다.

이를 위하여, 캐소우드 전극과 애노드 전극의 사이에 배치되는 매트릭스와 전해질판을 적어도 2장 이상씩 배치하된 서로 교번되게 배치하고, 매트릭스와 매트릭스 사이에 카본 파이버로 제조된 보강체가 배치되는 용융 탄산염 연료전지를 제공한다.

특히, 보강체는 다수의 홀을 보유한 판상 형태로 제조될 수 있고, 또는 메쉬 형태로 제조될 수 있다.

따라서, 캐소우드 전극에서 용해현상의 반응으로 인해 성장하는 니켈이 보강체에 의해 차단되어 애노드 전극 측으로 이동하는 것을 막을 수 있고, 매트릭스의 강도도 강화시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 고안에 관련된 용융 탄산염 연료전지를 도시한 사시도.

도 2는 본 고안에 관련된 용융 탄산염 연료전지를 결합하여 도시한 단면도.

도 3은 본 고안에 따른 보강체인 플레이트를 도시한 사시도.

도 4는 본 고안에 따른 연료전지의 구성요소를 단층구조로 도시한 측면도.

도 5는 본 고안에 따른 다른 실시예의 단층구조를 보인 측면도.

도 6은 본 고안에 따른 또 다른 실시예의 단층구조를 보인 측면도.

도 7은 종래 공지된 용융 탄산염 연료전지를 결합하여 도시한 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

20, 22 : 전극 24, 26, 52 : 전해질판

28, 30, 48 : 매트릭스 32, 34 : 분리판

36, 46, 50 : 셀 42 : 보강체

44 : 홀

이하 본 고안에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 고안에 관련된 용융 탄산염 연료전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 용융 탄산염 연료전지를 결합하여 도시한 단면도이다.

MCFC의 기본구조는 전기화학 반응이 일어나는 전극(20)(22)과, 전해질판(24)(26)인 용융 탄산염을 흡수하여 지지하는 매트릭스(28)(30)와, 반응가스의 유·출입 및 전기의 흐름을 연결시켜주는 분리판(32)(34) 등이 있다. 이들은 하나의 기본 셀(36)을 형성하고, 이 셀(36)은 다수 겹쳐 쌓아져 적층체를 생성한다.

상기 셀(36)의 구조는 도 2에 도시한 바와 같이 애노드 전극(22)과 캐소우드 전극(20)이 전해질판(24)을 함침한 제 1매트릭스(28) 내지 제 2매트릭스(30)에 연접하여 지지되어지며, 두 전극(20)(22)에는 상부 전류집전체(38)와 하부 전류집전체(40)가 밀착되어져 전해질판(24)과 연료가스의 반응에 의해 발생된 전하를 포집하고, 상·하부 전류집전체(38)(40)의 외측으로는 스테인레스강으로 제조되는 상·하부 분리판(32)(34)이 적층되어져서 상기 제 1매트릭스(28) 내지 제 2매트릭스(30)와 함께 전극(20)(22)과 전류 집전체(38)(40)를 지지함과 동시에 어셈블리한다.

여기서, 상기 애노드 전극(22)은 니켈-크롬(Ni-Cr)을 혼합한 소결체로 제조하고, 캐소우드 전극(20)은 산화니켈(NiO)로 제조되며, 전해질판(24)(26)으로 리튬 카보네이트와 포타슘 카보네이트와 같은 탄산염 알칼리를 500℃이하에서 용융하여 사용하고 가장 널리 사용되는 조성은 490℃에서 공융점(eutectic point)를 갖는 62mol% Li₂CO₃-38mol% K₂CO₃의 혼합물이다.

이러한 전해질판(24)(26)은 제 1매트릭스(28)와 제 2매트릭스(30)에 의해 흡수되고 지지되어지는데, 매트릭스(28)(30)들은 리튬알루미네이트(LiAlO₂)로 제조되어지며 캐소우드 전극(20)에서 생성된 탄산이온이 애노드 전극(22)으로 이동될 때 통로를 제공한다. 또한 캐소우드 전극(20)과 애노드 전극(22)을 전기적으로 절연시키고, 각 전극(20)(22)으로 유입되는 연료 및 공기 등의 반응물이 전지 내부에서 서로 혼합되지 않도록 하며 웨트 실(wet seal) 기능으로 전지 외부로의 가스 노출을 방지하는 역할도 한다.

상기 매트릭스(28)(30)의 성능은 주로 전지의 내부 저항, 연료가스의 교차(gas cross-over), 웨트 실 기능에 의하여 결정되며 적절한 기공분포와 안정한 구조를 유지하여야 좋은 성능을 나타낼 수 있다. 특히, 전해질판(24)(26)인 탄산염은 500℃ 부근에서 상변이가 일어나므로 열사이클 등의 온도 변화에도 전해질판(24)(26)을 지지하는 전체 매트릭스(28)(30)의 구조에 변화가 일어나지 않도록 적절한 강도를 유지해야만 한다.

이와 같은 매트릭스(28)(30)의 강도를 증가시키기 위해서 제 1매트릭스(28)와 제 2매트릭스(30)의 사이에 본 고안의 특징에 따른 보강체(42)를 배치한다. 특히, 이 보강체(42)는 카본 파이버로 제조되어져 단가를 낮출 수 있고 제조도 용이하며, 당업계에서는 방화재나 우주선, 항공산업 등에서 널리 사용되고 있는 것이다.

이 때, 카본 파이버가 전도도를 지님으로 매트릭스(28)(30)를 제조하는 과정에서 혼합하여 사용하게 되면 캐소우드 전극(20)과 애노드 전극(22)은 서로 쇼트되어 버린다.

이런 까닭에, 보강체(42)를 메쉬로 제조하여 제 1매트릭스(28)와 제 2매트릭스(30) 사이에 배치하도록 한다. 이는 매트릭스(28)(30)가 부도체인 세라믹으로 제조되기 때문에 절연이 가능하게 하는 것이다.

또한, 보강체(42)는 도 3에 도시한 바와 같이 다수의 홀(44)이 형성되는 플레이트로 제조될 수 있는데, 다수의 홀(44)은 전하의 이동 통로를 제공한다.

이러한 구조로 이루어진 셀(36)을 도 4에 도시한 바와 같은 단층구조를 갖는 실시예로써 살펴본다.

실시예1

이 셀(36)에는 매트릭스(28)(30) 2장과 전해질판(24)(26) 2장이 서로 교번하여 배치되고, 보강체(42)는 2장의 매트릭스(28)(30) 사이에 위치해서 애노드 전극(22)과 캐소우드 전극(20)을 전기적으로 절연시킬 수 있다. 특히, 전해질판(24) 1장은 제 1매트릭스(28)와 보강체(42) 사이에 위치하고 나머지 1장은 애노드 전극(22) 쪽에 연접하여 배치한다.

실시예2

상술한 보강체(42)를 포함하는 다른 실시예로써 셀(46)의 단층구조를 도 5의 측면도에서 나타내고 있다.

즉, 매트릭스(28)(30)(48) 3장과 전해질판(24)(26) 2장이 서로 교번하여 적층되데, 상부와 하부에는 캐소우드 전극(20)과 애노드 전극(22)에 밀착되는 매트릭스(28)(48)가 위치하고 본 고안의 특징에 따른 보강체(42)는 캐소우드 전극(20)으로부터의 니켈 이동을 막기 위하여 캐소우드 전극(20)과 근접한 전해질판(24)의 하부에 배치하는 구조이다.

실시예3

도 6은 셀(50)의 또 다른 단층구조를 보인 측면도이다.

이 경우는 매트릭스(28)(30)(48) 3장과 전해질판(24)(26)(52) 3장을 사용하는 경우인데 그 기본적인 구조는 앞서 예를 든 구조와 동일하고 단지 추가되는 전해질판(52) 1장은 애노드 전극(22)에 근접하게 배치한다.

이상에서 언급한 실시예들에서 보강체(42)를 카본 파이버로 사용함으로써 용융 탄산염 연료전지의 내구성에 크게 기여하게 되는 데, 그 이유를 좀 더 상세히 살펴보면, 캐소우드 전극(20)에서의 용해 반응식은 Ni0 → Ni(+2) + O(-2) 으로 나타낼 수 있다. 즉, 이 반응에서의 평형은 전해질판(24)(26)(52)내에서의 Ni(+2)와 O(-2)의 농도에 의해 결정된다.

여기서, MCFC의 운전 중에 Ni(+2)의 농도구배와 매트릭스(28)(30)(48)에 걸쳐 형성된 전기장에 의해 캐소우드 전극(20)측에서 애노드 전극(22)측으로 이동하여 애노드 전극(22)에서 환원한 다음 석출되어 니켈 석출물을 형성하게 된다. 이 과정은 애노드 전극(22)에서 생성된 전자에 의해 Ni(+2)이 환원되는 과정으로 반응식은 Ni(+2,전해질판) + 2e(애노드 전극) → 니켈 석출물(애노드 전극)로 나타낼 수 있는데, 반응이 계속 이루어지게 되면 니켈 석출물이 애노드 전극(22)에서 성장하여 매트릭스(28)(30(48)를 통과한 후 캐소우드 전극(20)까지 이르게 되어 전기적 통로가 형성되는 것이며, 이는 매트릭스(28)(30)(48)를 통한 이온 전도는 잘 일어나지 않고 니켈 석출물을 통한 전자전달에 의해 전도가 일어나게 됨으로 전기적 쇼트가 발생하여 셀(36)(46)(50)이 정상적으로 작동할 수 없게 되기 때문에 매트릭스(30)와 보강체(42)를 밀착하여 배치함으로써 니켈 석출물의 이동을 억제하게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 고안에 따른 실시예들은 종래의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.

즉, 매트릭스의 사이에 카본 파이버로 제조된 보강체를 배치하여 캐소우드 전극에서의 용해반응으로 인해 용해되는 니켈이 애노드 전극으로 이동하는 것을 막을 수 있어 종래 전기적 쇼트에 의해 감소되었던 전지의 성능을 개선시킬 수 있고, 나아가 연료전지의 수명도 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

또한, 매트릭스를 제조하는 데 소요되던 비용의 절반 정도를 차지하던 종래 보강체에 비해 구하기가 용이하고 가격도 저렴한 편인 카본 파이버를 이용하여 보강체를 제조함으로써 생산성이 향상된다.

아울러, 카본 파이버로 제조된 보강체는 매트릭스의 강도를 강화시킬 수 있게 되는 것이다.

Claims

캐소우드 전극과 애노드 전극의 사이에 매트릭스와 전해질판을 교번하여 배치하고, 상기 매트릭스가 애노드 전극과 접촉되게 하며, 상기 두 전극과 밀착된 집전체에서 전하를 포집하여 집전체의 바깥쪽에 배치된 분리판으로 전기가 인출되도록 하는 용융 탄산염 연료전지에 있어서,

상기 매트릭스(28)(30)와 전해질판(24)(26)을 적어도 2장 이상씩 배치하되 서로 교번되게 배치하고, 상기 매트릭스(28)와 매트릭스(30) 사이에 카본 파이버로 된 보강체(42)를 배치하는 구조로 됨을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료전지.
제 1 항에 있어서, 상기 보강체(42)는 다수의 홀(44)을 보유한 판상 형태로 제조됨을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료전지.
제 1 항에 있어서, 상기 보강체(42)는 메쉬 형태를 갖춘 것을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료전지.