KR20040005672A - 용융 하이드라이드 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 연료 전지(10)를 포함하는 연료 전지 조립체에 관한 것이다. 연료 전지(10)는 전기 절연 물질을 포함하는 하나 이상의 스페이서 요소(22)에 의해 이격 관계로 유지되는 애노드(15) 및 캐쏘드(16)를 포함한다. 스페이서 요소(22)의 근위 말단은 캐쏘드(16)와 접촉하고, 원위 말단은 애노드(15)와 접촉한다. 전해질(17)은 애노드(15)와 캐쏘드(16) 사이에 배치되어 이들과 접촉한다. 전해질(17)은 연료 전지 작동 온도에서 약 0.95보다 큰 하이드라이드 이온 전도수를 갖는 용융 염을 포함한다. 연료 기체를 전해질로 전달하기 위해 상기 캐쏘드(16)와 인접하여 연료 기체 입구(18)가 제공된다. 산화 기체를 전해질(17)로 전달하기 위해 상기 애노드(15)와 인접하여 산화 기체 입구(19)가 제공된다. 배기구(20)는 애노드(15)와 유체 연통된다.

Description

용융 하이드라이드 연료 전지{MOLTEN HYDRIDE FUEL CELL}
본 발명은 일반적으로 연료 전지 분야에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 액체 전해질을 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.
화학 반응으로부터의 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 장치로서 여러 유형의 연료 전지가 당해 분야에 공지되어 있다. 각 유형의 연료 전지는 현재 그의 용도를 특수화된 적용으로 한정하는 하나 이상의 제한점을 갖는다. 예를 들면, 열 재생식 액체 연료 전지는 수소를 생성하기 위해 별도의 가열 장치에 의해 유지되는 고온(예를 들어 약 800℃ 내지 약 1300℃)에서 리륨 하이드라이드 및 나트륨 하이드라이드의 혼합물의 열 분해에 의한 수소 유동을 유도한다. 이후 수소를 고압(10기압 이상)에서 전지에 통과시켜 하이드라이드 이온을 이동성화하고, 상기 이온은 전극에서 전자를 방출하여 전기를 생성한다. 오직 열 에너지의 작은 부분만이 전기 에너지로 전환된다. 고온 가열 장치를 필요로 하고 고압 기체를 취급할 수 있어야 하므로 크기 및 단가 면에서의 제한을 포함하여 설계가 더욱 복잡해진다. 다른 예는 통상적인 수소-산소 연료 전지로, 여기서 사용되는 전해질은 양성 수소 이온(H+)의 질량 수송에 대해 한정된 이동성을 가지므로 생성된 전기 에너지는 전기화학 전환에서 이상적으로 수득할 수 있는 에너지에 비해 훨씬 적다. 게다가, 다른 유형의 연료 전지, 예컨대 중합체 전해질을 사용하는 것에서는 일산화탄소, 황화수소, 염소 등과 같은 기체상 불순물의 존재로 인해 전극이 중독될 위험이 상당히 있다.
고체 산화물 연료 전지는 고체 상태의 금속 산화물 세라믹 전해질을 사용한다. 상기 전해질은 약 1000℃ 정도의 고온에서 작동된다. 상기 높은 작동 온도는 산소 이온의 수송을 가능하게 하고, 상기 이온은 전극에서 전자를 방출하여 전기를 생성한다. 그러나, 깨지기 쉬운 세라믹 전극을 사용하기 때문에 고온에서 견딜 수 있는 구조 물질이 필요하고, 추가의 냉각 시스템이 필요하여 고체 산화물 연료 전지의 신뢰도가 제한된다.
따라서, 당해 분야에는 종래의 연료 전지보다 낮은 온도에서 효율적이고 신뢰성 있게 작동되는 연료 전지에 대한 요구가 있는데, 본 발명은 이러한 요구에 따른 것이다.
도 1은 화학 에너지를 전기로 전환시키기 위한 연료 전지의 단면도이다.
도 2는 발전의 기작을 도시하는 연료 전지의 단면도이다.
도 3은 중앙화된 발전 플랜트에서 연료 전지 스택의 전형적인 용도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10: 연료 전지, 15: 애노드, 16: 캐쏘드, 22: 스페이서 요소, 18: 연료 기체 입구, 17: 전해질, 21: 외부 부하, 20: 배기구, 19: 산화 기체 입구, 23: 미사용된 기체 입구, 106: 캐쏘드 반응, 107: 애노드 반응, 108: 전류 유동, 201: 이동 전환기, 204: 수소 입구, 201: 이동 전환기, 205: 산소 또는 공기 입구, 200: 연료 전지 스택, 210: 연료 전지 단위, 216: 응축기, 214: 미사용된 산소 및 수증기 재순환용 연결 송수관, 212: 미사용된 수소 재순환용 연결 송수관, 207: 미사용된 수소 배기구, 218: 극저온 저장기
본 발명의 실시양태는 하나 이상의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 조립체를 제공한다. 연료 전지는 전기 절연 물질을 포함하는 하나 이상의 스페이서 요소에 의해 이격 관계로 유지되는 애노드 및 캐쏘드를 포함한다. 스페이서 요소의 근위 말단은 캐쏘드와 접촉하고, 원위 말단은 애노드와 접촉한다. 전해질은 애노드와 캐쏘드 사이에 배치되어 이들과 접촉한다. 전해질은 연료 전지 작동 온도에서 약 0.95보다 큰 하이드라이드 이온 전도수를 갖는 용융 염을 포함한다. 전해질로 산화 기체를 전달하기 위해 캐쏘드에 인접하여 연료 기체 입구가 제공된다. 배기구는 애노드와 유체연통된다.
본 발명의 다른 실시양태는 하나 이상의 스페이서 요소에 의해 이격 관계로 유지되는 애노드 및 캐쏘드를 추가로 포함하는 하나 이상의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 조립체를 제공한다. 스페이서 요소는 전기 절연 물질을 포함한다. 스페이서 요소의 근위 말단은 캐쏘드와 접촉하고, 원위 말단은 애노드와 접촉한다. 애노드와 캐쏘드 사이에 이들과 접촉하는 전해질은 염화리튬 및 염화칼륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 용융 금속 할라이드를 포함하고 추가로 리튬 하이드라이드를 포함한다. 수소를 포함하는 연료 기체를 전해질로 전달하기 위해 캐쏘드와 인접하여 연료 기체 입구가 제공된다. 산소를 포함하는 산화 기체를 전해질로 전달하기 위해 애노드에 인접하여 산화 기체 입구가 제공된다. 배기구는 애노드와 유체연통된다.
본 발명의 또 다른 실시양태는 애노드, 상기 애노드와 이격된 관계인 캐쏘드, 상기 캐쏘드와 유체연통되는 하이드라이드 이온 공급원, 상기 애노드와 유체연통되는 산소 공급원, 및 전해질을 포함하는 연료 전지를 제공한다. 전해질은 용융 염을 포함하고, 상기 용융 염은 연료 전지 작동 온도에서 약 0.95보다 큰 하이드라이드 이온 전도수를 갖는다.
본 발명의 상기 및 다른 특징, 측면 및 이점은 하기 설명, 청구범위, 및 첨부 도면을 참조하면 더욱 잘 이해될 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시양태는 하나 이상의 연료 전지(10)를 포함하는 어레이(array) 또는 스택(stack)인 연료 전지 조립체이다. 본 실시양태에 따른 연료 전지(10)는 하나 이상의 스페이서 요소(22)에 의해 이격 관계로 유지되는 애노드(15) 및 캐쏘드(16)를 포함한다. 본 실시양태에 따른 스페이서 요소(22)는 전기 절연 물질, 예컨대 알루미나, 지르코니아, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄 및 실리케이트 유리(이들에 한정되지 않음)를 포함한다. 스페이서 요소(22)는 캐쏘드(16)와 접촉하는 근위 말단 및 애노드(15)와 접촉하는 원위 말단을 추가로 포함한다.
한 실시양태에서, 애노드(15)와 캐쏘드(16)중 하나 이상은 수소-투과성 고체 멤브레인을 포함한다. 상기 물질의 수소 흡수 특성으로 인해, 예를 들어 연료 기체 입구(18)를 통해 공급되는 연료 기체의 확산이 빨라진다. 구체적인 실시양태에서, 멤브레인은 팔라듐, 바나듐, 베타 티타늄, 및 팔라듐과 은을 포함하는 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함한다. 다른 실시양태에서, 애노드(15)와 캐쏘드(16)중 하나 이상은 소결된 내화성 물질을 포함하며, 이로써 다공성 구조를 통한 기체의 신속한 확산이 가능해진다. 적합한 소결된 내화 물질은 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 및 바나듐을 포함하나 반드시 이들에 한정되지는 않는다. 다른 실시양태에서, 기체의 더욱 신속한 확산을 용이하게 하도록 소결된 내화 물질 및 고체 멤브레인을 포함하는 복합 물질을 애노드(15)와 캐쏘드(16)중 하나 이상에서 사용한다.
일부 실시양태에서, 애노드(15) 및 캐쏘드(16)는 관형 구조이다. 관형 구조는 유동의 균일성을 유지하는데 도움이 되며 따라서 연료 전지를 가로지르는 안정적인 밀도 구배를 확립하는데 도움이 된다. 이는 연료 전지의 안정한 시간 독립적인 유동 특성을 가져온다. 또한, 관형 구조는 구조적 일체성 및 건실성을 장기간에 걸쳐 유지시키며 포장 밀집성을 개선시킨다. 다른 양태에서, 애노드(15) 및 캐쏘드(16)는 평면이다. 평면 기하 구조는 확산 속도의 향상을 도와 전력 밀도를 향상시킨다. 또한, 평면 구조는 제조가 용이하므로 쉽게 수득할 수 있다.
일부 실시양태에서, 애노드(15)와 캐쏘드(16)중 하나 이상은 약 50미크론 내지 약 500미크론의 두께를 갖는다. 일부 양태에서 애노드(15) 및 캐쏘드(16)의 두께는 약 50미크론 내지 약 250미크론이다. 또 다른 실시양태에 따르면 애노드(15) 및 캐쏘드(16)의 두께는 약 75미크론 내지 약 150미크론이다. 일반적으로, 애노드(15) 및 캐쏘드(16)의 두께는 연료 전지(10)의 저항을 최소화하기 위해 역학적 설계 한도가 허용하는 한 작도록 설계된다.
전해질(17)은 애노드(15)와 캐쏘드(16) 사이에, 이들과 접촉하도록 배치된다. 전해질(17)은 연료 전지 작동 온도에서 약 0.95보다 큰 하이드라이드 이온 전도수를 갖는 용융 염을 포함한다. 위와 같은 범위의 하이드라이드 이온(H-) 전도수를 갖는 전해질(17)을 사용함으로써 연료 전지가 비용 효과적으로 적당한 효율을 갖고 작동될 것이 보장된다. 일부 실시양태에서, 연료 전지 작동 온도는 약 250℃ 내지 약 650℃인데, 이는 적당한 전해질 물질이 용융 상태에 있고 목적하는 효율 수준으로 하이드라이드 이온을 전도할 수 있음을 보장한다. 일부 실시양태에서, 전해질(17)의 연료 전지 작동 온도는 약 250℃ 내지 약 600℃이다. 본 발명의 특정 실시양태에 따르면, 연료 전지 작동 온도는 약 300℃ 내지 약 450℃이다.
일부 실시양태에서, 전해질(17)은 하나 이상의 용융 알칼리 할라이드 및 하나 이상의 용융 금속 하이드라이드를 포함한다. 본 발명자들은 이러한 유형의 전해질이 전술된 연료 전지 작동 온도 범위에서 적합하게 높은 하이드라이드 이온 전도성을 가져, 본 발명의 실시양태에 사용될 수 있다는 것을 밝혀냈다. 본 발명의 한 실시양태에 따르면 알칼리 할라이드는 염화리튬, 브롬화리튬, 불화리튬, 염화칼륨, 브롬화칼륨, 불화칼륨, 염화나트륨, 브롬화나트륨, 불화나트륨, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 적합한 알칼리 하이드라이드는 리튬 하이드라이드, 칼륨 하이드라이드, 나트륨 하이드라이드, 및 이들의 혼합물을 포함하나 반드시 이들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 한 실시양태에 따르면 용융 염은 알칼리 하이드라이드를 전체 용융 염 혼합물의 약 5중량% 내지 약 25중량%의 범위로 포함한다. 이로써 연료 전지의 초기 개시 때에도 하이드라이드 이온의 이동성이 보장된다. 구체적인 실시양태에서, 용융 염은 알칼리 하이드라이드를 용융 염 혼합물의 약 10중량% 내지 약 20중량%의 범위로 포함한다.
캐쏘드(16)에 인접한 연료 기체 입구(18)는 연료 기체를 전해질(17)로 전달한다. 연료 기체는, 일부 실시양태에서는 수소를 포함하고; 적합한 연료 기체는, 메탄 및 프로판중 하나 이상을 포함하는 기체를 포함하나 이에 한정되지 않는다. 당업자라면 메탄 또는 프로판과 같은 탄화수소 화합물을 연료 기체로 사용할 경우, 개질기(도시되지 않음)를 사용하여 수소를 탄화수소 화합물로부터 추출하고, 이후 수소를 연료 기체 입구(18)를 통해 전해질(17)로 전달한다는 것을 잘 알 것이다. 애노드(15)에 인접한 산화 기체 입구(19)는 산화 기체를 전해질(17)로 전달한다. 일부 실시양태에서, 산화 기체는 산소를 포함하고, 구체적인 실시양태에서, 산화기체는 공기를 포함한다.
도 2를 참고하면, 연료 기체는 캐쏘드(16)를 통해 확산한다. 연료 기체중의 수소는 반응(106)에 따라 전극중의 자유 전자와 반응한다.
H2(g)+ 2e--→ 2H-
전해질(17)을 가로질러 수송된 하이드라이드 이온은 애노드(15) 속으로 가로질러 확산되고, 여기서 산화 기체와 접촉하고 반응하여 물 및 자유 전자를 생성한다. 애노드(15)는 산화 기체와 반응 생성물인 물을 전해질(17)과 섞이지 않도록 방지하는 물리적 장벽의 역할을 한다. 자유 전자는 외부 부하(21)를 통해 연결되었을 때 애노드(15)로부터 캐쏘드(16)로 유동한다. 애노드 반응(107)은 도 2에서 다음과 같이 나타내어진다.
1/2 O2(g)+ 2H--→ H2O + 2e-
전체 반응은 다음과 같이 표시된다.
H2(g)+ 1/2 O2(g)-→ H2O(g)
상기 반응은 발열반응이고 따라서 초기 개시 후에 연료 전지의 작동 온도를 일정한 수준으로 유지시킨다. 상기 반응에서 형성된 물 분자는 수증기 상으로 전환된다. 미사용된 기체 및 수증기는 배기구(20)를 통해 배출된다.
본 발명의 다른 실시양태는 애노드(15), 상기 애노드(15)와 이격 관계인 캐쏘드(16), 상기 캐쏘드(16)와 유체 연통되는 하이드라이드 이온 공급원, 상기 애노드(15)와 유체 연통되는 산소 공급원, 및 용융 염을 포함하는 전해질(17)을 포함하고, 상기 용융 염이 연료 전지 작동 온도에서 약 0.95보다 큰 하이드라이드 이온 전도수를 갖는 연료 전지이다. 본 발명의 연료 전지 조립체의 구성요소에 대해 기술된 다수의 대안은 또한 본 연료 전지 실시양태에 적용된다. 본 실시양태에서는 전술된 바와 같이 하이드라이드 이온 공급원은 종종 연료 기체이고, 산소 공급원은 종종 산화 기체이다.
연료 기체 및 산화 기체는 다양한 공급원으로부터 수득할 수 있고 따라서 이러한 유형의 연료 전지는 다양한 용도에 사용하기 적합하다. 예를 들어, 탄화수소를 크래킹하여 수소를 생성하는 스키드 탑재된 이동식 개질기 단위 내에 이를 사용할 수 있으며, 이는 따라서 전기 동력 운송수단 또는 임의의 다른 소규모 발전에 사용하기 적합하다. 중앙 파워 플랜트의 대규모 발전을 위한 전형적인 연료 전지 스택이 도 3에 도시되어 있다. 중앙 파워 플랜트의 대규모 발전을 위해, 수소는 전형적으로 석탄 기체로부터 물 기체 이동 반응에 의해 수득될 수 있다. 이렇게 석탄 개질 기체로부터 이동 전환기(201)에서 생성된 수소 기체를 입구(204)에서 연료 전지 스택(200)에 공급한다. 연료 전지 스택(200)은 개별 연료 전지 단위(210)를 함유한다. 산소 또는 대기 공기를 연료 전지 스택(200)의 입구(205)에 공급한다. 미사용된 산소 및 상기 설명된 바와 같은 반응에서 생성된 수증기를 응축기(216) 및 연결 송수관(214)을 통해 재순환시킨다. 미사용된 수소는 배기구(207)로부터 연결 송수관(212)을 통해 재순환된다. 연료 전지는 또한 수소 및 산소가 극저온 저장소(218)로부터 공급될 수 있는 우주 전력 용도를 위해 사용될 수 있다.
본원에 여러 실시양태가 기술되었으나, 그의 다양한 요소의 조합, 변형, 동등물, 또는 개선이 당업자에 의해 이루어질 수 있으며, 이들도 또한 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범주 내에 있다는 것을 명세서로부터 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 연료 전지 조립체는 종래의 연료 전지보다 낮은 온도에서 효율적이고 신뢰성 있게 작동된다.

Claims (10)

  1. a. 전기 절연 물질, 근위 말단 및 원위 말단을 포함하는 하나 이상의 스페이서 요소(22)에 의해 이격 관계로 유지되고 상기 원위 말단 및 근위 말단과 각각 접촉하는 애노드(15) 및 캐쏘드(16);
    b. 상기 애노드(15)와 상기 캐쏘드(16) 사이에 배치되어 이들과 접촉하고, 연료 전지(10) 작동 온도에서 약 0.95보다 큰 하이드라이드 이온 전도수를 갖는 용융 염을 포함하는 전해질(17);
    c. 상기 캐쏘드(16)에 인접하고, 연료 기체를 상기 전해질(17)로 전달하기 위한 연료 기체 입구(18);
    d. 상기 애노드(15)에 인접하고, 산화 기체를 상기 전해질(17)로 전달하기 위한 산화 기체 입구(19); 및
    e. 상기 애노드(15)와 유체 연통되는 배기구(20)를 포함하는 하나 이상의 연료 전지(10)를 포함하는 연료 전지 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드(15)와 캐쏘드(16)중 하나 이상이 수소 투과성 고체 멤브레인을 포함하는 연료 전지 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 멤브레인이 팔라듐, 바나듐, 베타 티타늄, 및 팔라듐과 은을 포함하는 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 연료 전지 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드(15)와 캐쏘드(16)중 하나 이상이 하나 이상의 소결된 내화성 물질을 포함하는 연료 전지 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 소결된 내화성 물질이 몰리브덴, 텅스텐, 레늄 및 바나듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 연료 전지 조립체.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 애노드(15)와 캐쏘드(16)중 하나 이상이 상기 소결된 내화 물질 및 수소-투과성 고체 멤브레인을 포함하는 복합 물질을 추가로 포함하는 연료 전지 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드(15)와 캐쏘드(16)중 하나 이상이 약 50미크론 내지 약 500미크론의 두께를 갖는 연료 전지 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 용융 염이 하나 이상의 용융 알칼리 할라이드 및 하나 이상의 용융 금속 하이드라이드를 포함하는 연료 전지 조립체.
  9. a. 전기 절연 물질, 근위 말단 및 원위 말단을 포함하는 하나 이상의 스페이서 요소(22)에 의해 이격 관계로 유지되고, 상기 원위 말단 및 근위 말단과 각각 접촉하는 애노드(15) 및 캐쏘드(16);
    b. 염화리튬 및 염화칼륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 용융 알칼리 금속 할라이드 및 추가적으로 리튬 하이드라이드를 포함하며, 상기 애노드(15)와 캐쏘드(16) 사이에 배치되어 이들과 접촉하는 전해질(17);
    c. 상기 캐쏘드(16)에 인접하고, 수소를 포함하는 연료 기체를 상기 전해질(17)로 전달하기 위한 연료 기체 입구(18);
    d. 상기 애노드(15)에 인접하고, 산소를 포함하는 산화 기체를 상기 전해질(17)로 전달하기 위한 산화 기체 입구(19); 및
    e. 상기 애노드(15)와 유체 연통되는 배기구(20)를 포함하는 하나 이상의 연료 전지(10)를 포함하는 연료 전지 조립체.
  10. 애노드(15);
    상기 애노드(15)와 이격 관계인 캐쏘드(16);
    상기 캐쏘드(16)와 유체 연통되는 하이드라이드 이온 공급원;
    상기 애노드(15)와 유체 연통되는 산소 공급원을 포함하는 연료 전지(10).
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