KR20040004802A - Disk type separator having one-loop gas passage structure and Molten Carbonate Fuel Cell Stack comprising the said separator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 용융탄산염 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 연료극의 배출가스를 스택 외부에서 연소시킨 후 공기극으로 공급되도록 하는 단일가스경로 구조를 가지는 분리판을 설계함으로써, 스택 구조의 단순화, 스택 온도의 유지, 공급되는 가스의 예열, 및 이산화탄소의 공급량 감소가 가능한, 단일가스경로(one-loop) 구조를 가지는 원반형 분리판에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기의 원반형 분리판을 채용하여 형성됨으로써 전지성능이 향상되고, 나아가 연료전지의 소형 모듈화 및 가압 운전이 가능한, 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 이용한 용융탄산염 연료전지 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a separator plate for a molten carbonate fuel cell, and more particularly, by simplifying the stack structure by designing a separator plate having a single gas path structure that allows the exhaust gas of the anode to be burned outside the stack and then supplied to the cathode. The present invention relates to a disc-shaped separator having a one-loop structure capable of maintaining a stack temperature, preheating a gas to be supplied, and reducing a supply amount of carbon dioxide. In addition, the present invention is formed by employing the disk-shaped separator as described above in the molten carbonate fuel cell stack using a disk-shaped separator having a single gas path structure that can improve the battery performance, further miniaturization and pressure operation of the fuel cell. It is about.
연료전지는 전기화학 반응에 의해서 연료가 갖고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서 기존의 연소기관에 비하여 에너지 효율이 높고, 공해물질의 배출이 없으며, 소형에서 대규모 발전 시스템까지 적용범위가 매우 넓다. 즉, 연료전지는 원리상 열기관이 갖는 열역학적인 제한(Carnot 효율)을 받지 않기 때문에 기존의 발전장치보다 발전효율이 높고, 무공해, 무소음으로 환경문제가 거의 없으며, 다양한 용량으로 제작이 가능하고 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 송변전 설비를 절감할 수 있는 등 전력계통의 운영 측면에서도 기대가 큰 첨단 에너지 발전장치이다.Fuel cell is a power generation device that converts chemical energy of fuel directly into electric energy by electrochemical reaction. It is more energy efficient than existing combustion engines, emits no pollutants, and is applicable to small to large power generation systems. Is very wide. In other words, fuel cells are not subject to the thermodynamic limitations (Carnot efficiency) of heat engines in principle, resulting in higher power generation efficiency than existing power generation equipments, and no environmental problems with no pollution and noise. It is a high-tech energy generator that has high expectations in terms of power system operation, such as easy installation inside, which can reduce transmission and transmission facilities.
연료전지는 전해질의 종류 및 동작온도에 따라 분류되는데, 인산 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체산화물 연료전지는 민수용 전력 대체용으로 개발되고 있으며, 알칼리 연료전지 및 고분자 연료전지는 단위 무게당 에너지 출력이 커서 수송용, 군사용, 우주선 등의 용도로 개발되고 있다.Fuel cells are classified according to the type of electrolyte and operating temperature. Phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, and solid oxide fuel cells are being developed to replace civil power, while alkaline fuel cells and polymer fuel cells output energy per unit weight. It is developed for transportation, military use, spacecraft, etc.
본 발명은 용융탄산염 연료전지용 구성요소 가운데 분리판에 관한 것으로서, 연료전지에 사용하는 분리판은 스택에서 한 단위전지의 공기극 부분과 인접 단위전지의 연료극 부분을 격리시켜 연료와 산화제 가스가 서로 섞이지 않고 공급되게 하는 동시에 각 단위전지들을 전기적으로 연결하는 역할을 수행한다. 따라서 분리판은 전기 전도성이 높고 부식에 강한 물질로 제조되어야 한다. 용융탄산염 연료전지 스택에서 분리판 재료로 주로 사용되는 AISI 316L 및 310S 스테인레스 강은 용융탄산염에 의한 부식에 비교적 강하다고 알려져 있다. 분리판의 일부에 형성된 기체 유로는 반응기체가 흐르는 통로이며, 이 기체 유로를 통하여 2장의 분리판 사이에 위치한 전극 및 전해질에 기체가 공급됨으로써 전기화학반응이 일어나 전기가 발생된다.The present invention relates to a separator plate of components for molten carbonate fuel cells, wherein the separator plate used in the fuel cell isolates the cathode portion of one unit cell from the anode portion of an adjacent unit cell in a stack so that fuel and oxidant gas are not mixed with each other. At the same time, it serves to electrically connect the unit cells. Therefore, the separator should be made of a material with high electrical conductivity and corrosion resistance. AISI 316L and 310S stainless steels, which are mainly used as separator materials in molten carbonate fuel cell stacks, are known to be relatively resistant to corrosion by molten carbonate. The gas flow path formed in a part of the separation plate is a passage through which the reactor body flows, and gas is supplied to the electrode and the electrolyte located between the two separation plates through the gas flow path to generate an electrochemical reaction, thereby generating electricity.
용융탄산염 연료전지용 분리판은 각 단위전지로 가스를 배분하는 위치에 따라 외부 분배 및 내부 분배 형태로 구분할 수 있다. 외부 분배형은 분리판 외부에서 가스켓을 사용하여 가스를 공급하는 방식으로, 분리판의 구조가 간단하여 제작 및 조립이 간편한 이점이 있다. 그러나, 교차흐름(cross-flow)만 가능한 가스흐름 형식의 제한, 고온에서 가스 밀봉과 전기적 절연 역할을 하는 가스켓 제작의 어려움과 운전중 스택 양단간의 전압차에 의해 전해질이 이송되어 전해질 조성이 변하는 단점이 있다. 반면에 내부 분배 형태는 분리판의 습식 밀봉(wet seal) 부분을 통하여 가스가 공급되므로 설계 및 제작이 어려우며, 넓어진 습식 밀봉 면적과 함께 증가한 부식에 의해 전해질 손실이 증가하는 단점이 있지만, 가스흐름 형식 선택 및 운전중 스택 높이 변화에 자유로우며, 전해질 이송 현상이 없는 장점이 있다.Separation plates for molten carbonate fuel cells can be classified into an external distribution and an internal distribution according to the location of gas distribution to each unit cell. The external distribution type is a method of supplying gas by using a gasket from the outside of the separator plate, and thus, the structure of the separator plate is simple, and thus manufacturing and assembly are easy. However, there is a disadvantage that the electrolyte composition changes due to the limitation of the gas flow type that can only cross-flow, the difficulty of fabricating the gasket which serves as gas sealing and electrical insulation at high temperature, and the voltage difference between the stacks during operation. There is this. On the other hand, the internal distribution type is difficult to design and manufacture because the gas is supplied through the wet seal portion of the separator, and the electrolyte loss increases due to the increased corrosion along with the wider wet seal area. It is free to change stack height during selection and operation, and there is no electrolyte transfer phenomenon.
그러나, 현재 국내 기술로 내부 분배형 분리판을 제작할 경우 성형 및 용접 과정에서 변형이 불가피하게 발생하며, 이러한 분리판을 그대로 사용할 경우 가스 공급 및 배출구 주위에서 가스 기밀이 완벽하지 않아 이에 따른 연료 손실, 가스 혼합, 반응에 의한 온도 증가, 매트릭스 파손, 및 분리판 부식 등의 문제가 발생하여 스택의 신뢰성을 기대하기 어려운 실정이다. 따라서 기존의 분리판이 가진 단점을 극복할 수 있는 새로운 형태의 분리판 개발이 용융탄산염 연료전지의 실용화에 필수적이다.However, when the internal distribution type separator is manufactured by the current domestic technology, deformation is inevitably generated during the forming and welding process, and when the separator is used as it is, gas leakage is not perfect around the gas supply and discharge ports, resulting in fuel loss, It is difficult to expect stack reliability due to problems such as gas mixing, temperature increase due to reaction, matrix breakage, and separator corrosion. Therefore, the development of a new type of separator to overcome the disadvantages of the existing separator is essential for the practical use of molten carbonate fuel cell.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 연료극의 배출가스를 스택 외부에서 연소시킨 후 공기극으로 공급되도록 하는 단일가스경로 구조를 가지는 분리판을 설계함으로써, 스택 구조의 단순화, 스택 온도의 유지, 공급되는 가스의 예열, 및 이산화탄소의 공급량 감소가 가능한, 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention by designing a separator having a single gas path structure to be supplied to the cathode after burning the exhaust gas of the anode outside the stack. It is to provide a disk-shaped partition plate having a single gas path structure, which simplifies the stack structure, maintains the stack temperature, preheats the supplied gas, and reduces the supply amount of carbon dioxide.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기의 원반형 분리판을 채용하여 용융탄산염 연료전지 스택을 형성시킴으로써 성능이 향상되고, 나아가 용융탄산염 연료전지의 모듈화 및 가압 운전이 가능한, 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 이용한 용융탄산염 연료전지 스택을 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to form a molten carbonate fuel cell stack by employing the above-described disk-shaped separator plate to improve the performance, furthermore, a disk type having a single gas path structure, which can be modularized and pressurized operation of the molten carbonate fuel cell It is to provide a molten carbonate fuel cell stack using a separator.
도 1은 본 발명에 따른 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 채용한 경우, 연료 및 산화제의 공급경로를 도시한 것이다.1 is a view illustrating a supply path of fuel and an oxidant when a disc-shaped separator having a single gas path structure according to the present invention is employed.
도 2는 본 발명에 따른 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판의 구조를 도시한 것이다.Figure 2 shows the structure of a disk-shaped separator having a single gas path structure according to the present invention.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 이용한 연료전지의 5단 스택구조 사진이다.3 is a photograph of a five-stage stack structure of a fuel cell using a disc-shaped separator having a single gas path structure manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 채용한 용융탄산염 연료전지 스택을 100시간 운전한 후 측정된 스택 내 단전지의 성능을 도시한 것이다.4 illustrates the performance of a single cell in a stack measured after 100 hours of operation of a molten carbonate fuel cell stack employing a disc-shaped separator having a single gas path structure manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 채용한 용융탄산염 연료전지 스택을 약 600시간까지 운전한 후 측정된 스택의 성능을 나타낸 것이다.Figure 5 shows the performance of the stack measured after operating the molten carbonate fuel cell stack employing a disk-shaped separator having a single gas path structure manufactured according to an embodiment of the present invention up to about 600 hours.
도 6는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 단일가스경로 구조의 원반형 분리판을 채용한 용융탄산염 연료전지 스택을 각각 3기압 조건 및 상압 조건하에 운전한 후 측정된 성능을 비교하여 도시한 것이다.FIG. 6 shows a comparison of the measured performance after operating a molten carbonate fuel cell stack employing a disc-shaped separator having a single gas path structure manufactured according to an embodiment of the present invention under 3 atm and atmospheric pressure, respectively. .
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판은, 연료를 공급하기 위하여 분리판 외측에 설치되는 연료공급관의 연결부, 연료가스가 분리판의 중앙부로부터 원주방향으로 흐르도록 분리판의 중앙부까지 연결되어 설치되는 연료공급관, 연료극을 지난 연료극 배기 가스를 배출시키기 위하여 분리판 테두리에 설치되는 연료극 가스 배출구, 상기의 배출된 연료극 배기가스와 스택 외부로 공급되는 공기극 가스의 반응으로 연소된 가스를 공기극으로 유입시키기 위하여 분리판 테두리에 설치되는 공기극 가스 유입구, 및 공기극으로 유입된 가스를 원주방향으로 배출시키기 위하여 분리판 중앙부에 설치되는 공기극 가스의 배출 통로를 포함하여 구성되는 용융탄산염 연료전지용 분리판으로서, 연료극의 배출가스를 스택 외부에서 연소시킨 후 공기극으로 공급되도록 하는 단일의 가스경로 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the object as described above, the disk-shaped separation plate having a single gas path structure according to the present invention, the connection portion of the fuel supply pipe installed outside the separation plate for supplying fuel, the fuel gas is circumferentially from the center of the separation plate A fuel supply pipe connected to the center of the separator plate so as to flow in a direction, an anode gas outlet installed at the edge of the separator plate for discharging the anode exhaust gas passing through the anode, the anode exhaust gas discharged from the anode and the cathode supplied outside the stack Including a cathode gas inlet provided on the edge of the separator plate to introduce the gas burned by the reaction of the gas into the cathode, and a discharge passage of the cathode gas provided in the center of the separator to discharge the gas introduced into the cathode in the circumferential direction As a separator for molten carbonate fuel cells constituted, After burning the waste gas of ryogeuk outside the stack it is characterized in that with a single gas path structure which is supplied to the air electrode.
본 발명에 의한 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판에 있어서, 상기 원반형 분리판은 스텐레스스틸을 모재로 하는 것을 특징으로 한다.In the disk-shaped separator having a single gas path structure according to the present invention, the disk-shaped separator is characterized in that the stainless steel as a base material.
본 발명에 의한 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 이용한 용융탄산염 연료전지 스택은, 두 개 이상의 연료극, 공기극 및 분리판으로 구성되는 단위전지로 이루어지는 용융탄산염 연료전지 스택으로서, 분리판으로 상기 제1항의 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 사용하고, 전극의 테두리 부분에 연료극에서 배출되는 미반응 수소가 전극 테두리에서 바로 산화되는 것을 방지하기 위한 금속링이 설치되며, 연료극 중앙부에 공기극 가스의 배출구와 연료극 가스가 혼합되지 않도록 밀폐시키기 위한 금속링이 설치되고, 연료는 상기 원반형 분리판에 연결된 연료공급관을 통하여 공급되며, 산화제는 스택 외부로 공급되어지는 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.The molten carbonate fuel cell stack using the disk-shaped separator plate having a single gas path structure according to the present invention is a molten carbonate fuel cell stack including a unit cell composed of two or more anodes, cathodes, and separator plates. A disk-shaped separator having a single gas path structure of claim 1 is used, and a metal ring is installed at the edge portion of the electrode to prevent unreacted hydrogen from being oxidized directly at the edge of the electrode. A metal ring is installed to seal the discharge port and the anode gas so as not to be mixed, fuel is supplied through a fuel supply pipe connected to the disc-shaped separator plate, and an oxidant is provided to the outside of the stack.
도 1은 본 발명에 따른 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 채용한 경우, 연료 및 산화제의 공급경로를 도시한 것이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 연료는 분리판에 연결된 연료공급관을 통하여 공급되며 산화제는 스택 외부로 공급되어진다. 연료극을 통과한 미반응 연료는 스택 외부로 배출되어 산화제와 혼합되어 산화된 후, 공기극으로 공급되며 공기극을 통과한 배출가스는 분리판 중앙부의 배출구를 통하여 배출된다.1 is a view illustrating a supply path of fuel and an oxidant when a disc-shaped separator having a single gas path structure according to the present invention is employed. As shown in FIG. 1, fuel is supplied through a fuel supply pipe connected to the separator plate and an oxidant is supplied out of the stack. The unreacted fuel passing through the anode is discharged to the outside of the stack, mixed with an oxidant, oxidized, and then supplied to the cathode, and the exhaust gas passing through the cathode is discharged through the outlet of the center of the separator.
이하, 실시예 및 실험예를 들어 본 발명의 구성 및 발명효과를 보다 상세하게 설명한다. 아래의 실시예 및 실험예는 본 발명의 내용을 설명하나, 본 발명의 내용이 여기에 한정되지는 않는다.Hereinafter, the structure and the effect of the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Experimental Examples. The following Examples and Experimental Examples illustrate the content of the present invention, but the content of the present invention is not limited thereto.
<실시예 1: 원반형 분리판 제작 >Example 1 Preparation of Disc Type Separator Plate
본 발명에 따른 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 제조하였다.A disc shaped separator having a single gas path structure according to the present invention was prepared.
원반형 분리판은 스텐레스스틸(SS316L)의 재질로 제작하였으며, 중앙부에는 연료극 가스의 배출 통로를 형성하기 위해 구멍을 뚫었다. 분리판 외측에는 연료를 공급할 수 있도록 연료공급관의 연결부를 제작하였고, 연료 공급관은 분리판의 중앙부까지 연결되어 연료가 중앙부로부터 원주방향으로 흐르도록 설계하였다.Disc-shaped separator plate was made of stainless steel (SS316L) material, and a hole was formed in the center portion to form a discharge passage of anode gas. A fuel supply pipe was connected to the outside of the separator to supply fuel, and the fuel supply pipe was connected to the center of the separator so that fuel flowed circumferentially from the center.
도 2는 상기 실시예에서 제조된 전극 면적 100㎠의 원반형 분리판을 도시한 것이다.Figure 2 shows a disk-shaped separation plate of the electrode area 100 cm 2 prepared in the above embodiment.
<실시예 2: 스택 제작 >Example 2: Stack Fabrication
상기 실시예 1에서 제조된 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 사용하여 용융탄산염 연료전지 스택을 제조하였다.A molten carbonate fuel cell stack was manufactured using a disc shaped separator having a single gas path structure prepared in Example 1 above.
스택 구성 방법은 일반적인 스택의 경우와 비슷하나, 분리판에 가스 통로로서 금속 망을 삽입하였다. 공기극 가스 통로로는 인코넬(Inconel) 망을 사용하였고 연료극 가스 통로로는 Ni 망을 사용하였다. 한편, 전극의 테두리 부분에는 금속링을 사용하여 연료극에서 배출되는 미반응 수소가 전극 테두리에서 바로 산화되는 것을 방지하였다. 또한, 연료극 중앙부에는 작은 금속링을 설치하여 공기극 가스의 배출구와 연료극 가스가 혼합되지 않도록 밀폐시켰다. 구성 요소는 대부분 종래에 사용된 것과 동일하였으나 매트릭스의 두께가 두꺼울수록 가스의 크로스오버가 감소된다는 단위전지 실험 결과에 기초하여 4장의 매트릭스를 사용하였다.The stack construction method is similar to that of the general stack, but the metal net is inserted into the separator plate as a gas passage. Inconel network was used as the cathode gas passage and Ni network was used as the anode gas passage. On the other hand, a metal ring is used at the edge of the electrode to prevent the unreacted hydrogen discharged from the anode from being directly oxidized at the electrode edge. In addition, a small metal ring was provided at the center of the anode to close the outlet of the cathode gas and the anode gas so as not to be mixed. Most of the components were the same as those used in the related art, but four matrices were used based on the results of unit cell experiments that the thicker the matrix, the lower the gas crossover.
장착된 스택은 스택 하부에 위치한 공기 실린더를 사용하여 면압을 인가한 후, 각 분리판의 연료 공급관을 스택 하부에 설치된 분배기와 연결하였으며, 스택은 외부와 밀폐될 수 있도록 금속 용기 내부에 설치하였다. 스택을 포함한 용기는 관상로 내부에 설치된 후, 전처리를 거친 다음 운전되었다.The mounted stack was subjected to surface pressure using an air cylinder located at the bottom of the stack, and then the fuel supply pipe of each separator plate was connected to a distributor installed at the bottom of the stack, and the stack was installed inside a metal container to be sealed to the outside. The vessel containing the stack was installed inside the tubular furnace and then pretreated and operated.
도 3은 상기 실시예 2에 의하여 제조된 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 이용한 5단 스택구조를 가지는 용융탄산염 연료전지의 사진이다.3 is a photograph of a molten carbonate fuel cell having a five-stage stack structure using a disc-shaped separator having a single gas path structure prepared in Example 2. FIG.
<실험예 1>Experimental Example 1
상기 실시예에서 제조된 용융탄산염 연료전지 스택을 운전하여 전지의 성능을 실험하였다.The performance of the cell was tested by operating the molten carbonate fuel cell stack prepared in Example.
본 발명에 따른 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 채용한 연료전지 스택에서는 연료극의 배출가스가 밀폐 용기 내로 공급되는 공기와 산화 반응을 일으킨 후, 공기극으로 공급되기 때문에 공급되는 가스의 조성은 일반적인 용융탄산염 연료전지 스택의 조성과는 다르다.In the fuel cell stack employing a disk-shaped separator having a single gas path structure according to the present invention, since the exhaust gas of the anode undergoes an oxidation reaction with the air supplied into the sealed container and then is supplied to the cathode, the composition of the supplied gas is general. It is different from the composition of the molten carbonate fuel cell stack.
하기 표 1은 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 채용한 용융탄산염 연료전지 스택의 공급 가스 유량과 일반적인 스택의 유량을 비교한 것이다.Table 1 below compares the supply gas flow rate of the molten carbonate fuel cell stack employing a disk-shaped separator having a single gas path structure with the flow rate of a general stack.
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 채용한 용융탄산염 연료전지 스택에 있어서, 연료극의 가스 조성은 일반적인 스택구조를 가지는 용융탄산염 연료전지와 동일하지만, 공기극에는 미반응 수소를 연소시키기 위해 과량의 공기를 일반 스택보다 더 많이 주입하였다. 반면, 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지 스택에서는 연료극을 통과한 이산화탄소가 공기극으로 유입되기 때문에 공기극 가스의 이산화탄소량을 일반적인 용융탄산염 연료전지 스택보다 적게 주입하였다.As shown in Table 1, in the molten carbonate fuel cell stack employing a disk-shaped separator having a single gas path structure of the present invention, the gas composition of the anode is the same as that of the molten carbonate fuel cell having the general stack structure. Injected more air than regular stacks to burn unreacted hydrogen. On the other hand, in the molten carbonate fuel cell stack according to the present invention, since the carbon dioxide passing through the anode flows into the cathode, the amount of carbon dioxide in the cathode gas is injected less than that of the typical molten carbonate fuel cell stack.
도 4는 본 발명에 따른 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 채용한 용융탄산염 연료전지 스택을 100시간 운전한 후 측정된 스택 내 단전지의 성능을 도시한 것이다.Figure 4 shows the performance of the single cell in the stack measured after 100 hours operation of the molten carbonate fuel cell stack employing a disk-shaped separator having a single gas path structure according to the present invention.
본 발명에 따른 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 채용한 용융탄산염 연료전지 스택 내 단전지의 성능은 150mA/㎠의 전류 밀도에서 가스 이용율이 0.4일 때 측정하였으며, 각 단전지의 성능은 0.83V 이상으로 매우 우수하였다. 뿐만 아니라, 각 단전지의 성능은 큰 차이를 보이지 않고 고른 분포를 나타내었다. 예컨대, 전류 밀도가 150mA/㎠인 경우 단전지의 평균 성능은 0.836V이었고, 200mA/㎠인 경우 단전지의 평균 성능은 0.775V였다.The performance of a unit cell in a molten carbonate fuel cell stack employing a disc separator having a single gas path structure according to the present invention was measured when the gas utilization was 0.4 at a current density of 150 mA / cm 2, and the performance of each unit cell was 0.83. It was very good above V. In addition, the performance of each unit cell did not show a big difference and showed an even distribution. For example, when the current density is 150 mA / cm 2, the average performance of the unit cell was 0.836V, and when the current density was 200 mA / cm 2, the average performance of the unit cell was 0.775V.
이와 같이 단일가스경로 구조의 스택이 우수한 성능을 나타낸 이유 가운데 하나는, 연료극 배출가스의 연소로 스택 외부를 전체적으로 가열하여 스택의 온도 구배가 작아 졌기 때문이다.One of the reasons why the stack of the single gas path structure exhibits excellent performance is that the temperature gradient of the stack is reduced by heating the outside of the stack as a whole by the combustion of the anode exhaust gas.
도 5는 본 발명에 따른 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 채용한 용융탄산염 연료전지 스택을 약 600시간까지 운전한 후 측정된 스택의 성능을 나타낸 것이다.Figure 5 shows the performance of the stack measured after operating the molten carbonate fuel cell stack employing a disk-shaped separator having a single gas path structure according to the present invention for about 600 hours.
도 5에서 보는 바와 같이, 전류 밀도 150mA/㎠에서의 스택 성능은 약 0.7% 감소하였으며, 200mA/㎠에서의 스택 성능은 약 1% 감소하였다. 이를 1,000시간 운전으로 환산하면 약 1.7%/1,000h의 성능 저하율에 해당하여 매우 우수하다고 할 수 있다.As shown in FIG. 5, the stack performance at a current density of 150 mA / cm 2 was reduced by about 0.7%, and the stack performance at 200 mA / cm 2 was reduced by about 1%. When converted into 1,000 hours of operation, it corresponds to a performance degradation rate of about 1.7% / 1,000h, which is very excellent.
<실험예 2>Experimental Example 2
상기 실시예에서 제조된 단일가스경로 구조의 분리판을 채용한 용융탄산염 연료전지 스택을 가압 조건하에서 운전하였다.The molten carbonate fuel cell stack employing the separator of the single gas path structure manufactured in the above embodiment was operated under pressurized conditions.
도 6은 본 발명에 따른 단일가스경로 구조의 분리판을 채용한 용융탄산염 연료전지 스택의 3기압 조건하에서의 성능을 상압에서의 성능과 비교하여 나타낸 것이다.FIG. 6 shows the performance under three atmospheres of the molten carbonate fuel cell stack employing a separator having a single gas path structure according to the present invention compared with the performance at normal pressure.
도 6에서 보는 바와 같이, 전류 밀도 150mA/㎠에서 스택의 성능은 상압에서 3.54V이었고, 3기압에서는 3.64V로 약 0.1V 증가하였다. 따라서, 본 발명의 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 이용한 용융탄산염 연료전지 스택은 가압 운전이 가능함을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, the stack performance at a current density of 150 mA / cm 2 was 3.54V at normal pressure, and increased about 0.1V to 3.64V at 3 atmospheres. Therefore, it can be seen that the molten carbonate fuel cell stack using the disc-shaped separator having the single gas path structure of the present invention can be pressurized.
비록 상기에서 본 발명은 기재된 실시예를 중심으로 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 본 발명자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Although the invention has been described in detail above with reference to the described embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and changes are possible within the scope and spirit of the invention, and the claims appended hereto. It is natural to belong to.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판은, 연료의 입구와 산화제의 출구의 분배구를 제거하여 스택 구조를 단순화시켰을 뿐만 아니라, 미반응 연료와 산화제의 반응열로 스택의 온도를 유지할 수 있으며, 공급되는 가스의 예열도 할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 원반형 분리판은 이산화탄소의 공급량을 줄일 수 있는 장점도 가지고 있다.As described above, the disc-shaped separator having a single gas path structure according to the present invention not only simplified the stack structure by removing the distribution ports of the inlet of the fuel and the outlet of the oxidant, but also the reaction heat of the unreacted fuel and the oxidant. It is possible to maintain the temperature of the stack and to preheat the gas to be supplied. In addition, the disk-shaped separator according to the present invention also has the advantage of reducing the amount of carbon dioxide supplied.
또한, 본 발명의 단일가스경로 구조를 가지는 원반형 분리판을 이용한 용융탄산염 연료전지 스택은 상기의 원반형 분리판을 채용하여 스택구조를 형성시킴으로써 안정화된 구성을 가지고, 가스 밀봉효율이 우수하며, 장시간의 운전에도 위치 변형을 방지하는 등 전지의 성능이 저하되는 것을 최소화하고, 전지 성능을 극대화될 뿐만 아니라, 가압 운전도 가능하다.In addition, the molten carbonate fuel cell stack using the disk-shaped partition plate having a single gas path structure of the present invention has a stabilized configuration by forming a stack structure by employing the disk-shaped partition plate, excellent gas sealing efficiency, long time Minimizing deterioration of battery performance, such as preventing positional deformation during operation, maximizes battery performance, and also allows for pressurized operation.
나아가, 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지용 분리판은, 10kW급 이하의 소형 모듈 구성에도 경제적으로 적용될 수 있다.Furthermore, the separator plate for molten carbonate fuel cell according to the present invention can be economically applied to a compact module configuration of 10 kW or less.
Claims (3)
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