KR20040065528A - 고온 시일과, 그 제조 및 이용 방법과, 연료 전지 시스템 - Google Patents

고온 시일과, 그 제조 및 이용 방법과, 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 고온 시일은 고온 연료 전지 시스템(100)의 2개 또는 그 이상의 구성요소 사이에 배치된 에어로겔 가스켓(130)을 포함한다.

Description

고온 시일과, 그 제조 및 이용 방법과, 연료 전지 시스템{HIGH TEMPERATURE SEAL}
최근 연료 전지가 각광을 받고 정교화되고 있다. 연료 전지는 산소와 연료의 전자화학 반응을 수행하여 전기와 열을 생성시킨다. 연료 전지는 배터리와 유사하지만, 전력을 제공하면서 "충전"될 수 있으며, 통상적으로 종래의 탄화수소 연소보다 훨씬 더 청정하게 작동한다.
연료 전지는 DC(직류) 전압을 제공하는데, 이 직류 전압은 모터, 라이트, 컴퓨터 또는 다수의 전기 제품에 전력을 공급하는데 이용될 수 있다. 상이한 화학 작용을 각각 이용하는 몇 가지 상이한 종류의 연료 전지가 있다. 통상적으로, 연료 전지는 사용된 전해질의 종류에 의해 분류된다. 일반적으로, 연료 전지의 종류는 5가지 그룹중 하나로 분류되는데, 이 그룹에는 양성자 교환막(proton exchange membrane: PEM) 연료 전지와, 알카라인 연료 전지(alkaline fuel cell: AFC)와, 인산형 연료 전지(phosphoric-acid fuel cell: PAFC)와, 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell: SOFC)와, 용융 탄산염 연료 전지(molten carbonate fuel cell: MCFC)가 있다.
많은 연료 전지는 연료로서 수소를 사용하고 있다. 이것은 단지 이론적 부산물로서 물을 함께 청정하고 효과적인 전기 제조를 용이하게 한다. 그러나, 수소는 종종 제조 및 저장하기에 어렵고 고비용이 든다. 따라서, SOFC는 연료용 순수 수소원을 필요로 하지 않기 때문에 특히 장래성 있는 연료 전지 타입이다. SOFC가 수소로 작동가능하지만, 각종 다른 연료를 사용할 수도 있다. 종종, SOFC는 수소보다 저렴하고 훨씬 쉽게 이용가능한 연료, 예컨대 탄화수소, 알코올 등으로 작동한다.
그럼에도 불구하고, 소비자 전자 제품에 전력을 공급하기 위한 상업적으로 실용적인 고체 산화물 연료 전지의 개발에 있어서 몇 가지 도전 과제가 남아 있다. SOFC는, 예컨대 고무 또는 플라스틱 등의 밀봉 재료가 각종 연료 전지 시스템의 구성요소 사이에서 사용되는 것을 방해하는 온도 범위(400℃ 내지 1000℃)에서 작동한다.
결과적으로, 각종 SOFC 시스템의 구성요소용 시일은 운모, 유리 또는 유리 세라믹으로 구성되어 왔다. 이러한 시일은 높은 작동 온도에서도 연료 전지 시스템으로부터 연료 및 부산물의 누설을 방지하는데 사용된다.
그러나, 운모는 매우 제한된 유연성 특성을 가지므로 종종 질이 나쁜 시일이 된다. 유리는 운모보다 훨씬 더 유연성이 없으므로 종종 시일이 균열되거나 그리고/또는 연료 전지 시스템 구성요소가 손상되게 한다.
더욱이, 시일과 연료 전지 시스템 구성요소 사이의 열팽창 계수의 차이는 고체 산화물 및 다른 고온 연료 전지 적용에 있어서의 효과적인 시일을 생성 및 유지하는 것을 매우 어렵게 한다. 또한, 이것은 연료 전지 시스템의 높은 작동 온도에 기인한다.
다수의 실시예중 하나에 있어서, 에어로겔 가스켓을 구비하는 고온 시일은 고온 연료 전지 시스템의 2개 또는 그 이상의 구성요소 사이에 배치된다.
첨부된 도면은 본 발명의 다양한 실시예를 도시하고 있으며 본 명세서의 일부이다. 도시된 실시예는 본 발명의 예일 뿐이며 본 발명의 범위를 한정하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예가 이용될 수 있는 일반적인 고온 연료 전지 시스템의 도면,
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 연료 전지 시스템에 사용하기 위한 환형의 에어로겔 시일(aerogel seal)의 사시도,
도 2b는 하우징에 관하여 도 2a의 환형의 에어로겔 시일의 단면도,
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고온 연료 전지 시스템에 사용하기 위한 플랜지형 가스켓 에어로겔 시일의 사시도,
도 3b는 하우징에 관하여 도 3a의 플랜지형 가스켓 에어로겔 시일의 단면도,
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고온 연료 전지 시스템에 사용하기 위한 주변 가스켓 에어로겔 시일의 사시도,
도 4b는 하우징에 관하여 도 4a의 주변 가스켓 에어로겔 시일의 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예가 이용될 수 있는 전자 장치의 개략도.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
100 : 고온 연료 전지 시스템 102 : 연료 전지
104 : 하우징 106 : 연료 공급부
108 : 연료 공급부 127 : 계면부
130 : 가스켓
도면 전체에 걸쳐, 동일한 참조 부호는 유사한 요소를 지칭하지만 반드시 동일한 요소일 필요는 없다.
고체 산화물 연료 전지, 용융 탄산염 연료 전지 등의 고온 연료 전지는 대략 400℃ 내지 1000℃ 범위의 온도에서 작동된다. 따라서, 본원에서 사용된 바와 같은 용어 "고온"은 대략 400℃ 내지 1000℃의 범위의 온도를 지시한다. 종래 기술부분에서 언급한 바와 같이, 고온 연료 전지 시스템의 다양한 구성요소 사이의 계면부에 있는 시일은 최상으로 생성 및 유지하기가 어렵고, 많은 경우에 있어서 고온 연료 전지 시스템 사이의 밀봉된 계면부가 제어할 수 없을 정도로 누설된다. 따라서, 그 중에서도, 고온 연료 전지 제품에 대한 보다 신뢰성 있는 시일을 후술할 것이다.
도면, 특히 도 1에 도시한 바와 같이, 일반적인 고온 연료 전지 시스템(100)이 각종 시스템 구성요소 사이의 몇 가지 중요한 계면부를 설명하기 위해 도시되어 있다. 본 실시예의 고온 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지(102)를 포함하고 있다. 또한, 연료 전지(102)는 연료 전지 스택(fuel cell stack)을 대표할 수도 있다. 통상적으로, 하나의 연료 전지는 매우 낮은 전압(0.7V)만을 생성한다. 따라서, 연료 전지는 종종 발생된 전압, 결과적으로 이용가능한 전류를 증가시키도록 적층된다.
고온 연료 전지 시스템(100)의 다른 구성요소는, 이에 한정되지는 않지만, 하우징(104)과, 연료 공급 라인 또는 매니폴드(106)와, 산소 또는 공기 공급부 또는 매니폴드(108)와, 연료용 제 1 배기 경로 또는 매니폴드(110)와, 산소 또는 공기용 제 2 배기 경로 또는 매니폴드(112)를 포함할 수 있다. 그러나, 일부 실시예가 도 1에 도시한 2개 대신에 하나의 배기 경로 또는 매니폴드(110)만을 포함할 수 있다는 것은 이해될 것이다. 또한, 시스템(100)은 음극 및 양극 전기 접속부(114, 116) 등의 전기 접속부를 포함한다. 이러한 접속부는 전기 회로에서 연료 전지를 접속하는데 사용되며, 발생된 전력을 전기 또는 전자 장치에 제공할 수 있다.
연료 전지(102)는 하우징(104)에 의해 수납된다. 연료 전지(102)는 고체 산화물 연료 전지, 용융 탄산염 연료 전지 또는 다른 고온 연료 전지일 수 있다. 연료 전지(102)는 3개의 기본 연료 전지 구성요소를 포함하는데, 이 구성요소는 애노드(118)와, 캐소드(120)와, 애노드(118)와 캐소드(120) 사이에 배치된 전해질(122)이다. 또한, 연료 전지(100)의 전기화학 반응을 촉진시키도록 애노드(118)와 캐소드(120) 양자에 촉매가 있을 수 있다.
본 실시예의 연료 전지(102)는 하우징(104)을 적어도 2개의 부분으로 분할한다. 본 실시예에 따르면, 하우징은 애노드 챔버(124) 및 캐소드 챔버(126)로 분할한다. 그러나, 임의의 개수의 다른 챔버가 하우징(104)내에 생성될 수도 있다.
고온 연료 전지 시스템(100)은 시스템 구성요소 사이의 많은 계면부를 포함하며, 이 계면부중 하나 또는 그 이상이 시일 또는 가스켓을 사용하여 누설을 방지할 수 있다. 예를 들면, 도시한 실시예에 있어서, 연료 전지(102)와 하우징(104) 사이에 제 1 및 제 2 계면부(127, 128)가 있다. 또한, 시일이 유용할 수 있는 추가적인 계면부가 있을 수 있으며, 이 계면부에는, 이에 한정되지는 않지만, 도시한 바와 같이 연료 공급부(106)와 하우징(104) 사이, 산소 공급부(106)와 하우징(104) 사이, 배기 경로(110, 112)와 하우징(104) 사이, 및 전기 상호접속부(114, 116)와 하우징(104) 사이의 계면부가 포함된다. 게다가, 고온 연료 전지 구성요소 사이에 임의의 다른 개수의 계면부가 밀봉용으로 고려될 수도 있다.
도시한 고온 연료 전지 시스템(100) 및 다른 시스템을 위해, 다양한 구성요소 사이에 하나 또는 그 이상의 계면부(127 등)를 적절히 밀봉하는 것이 바람직할 수 있다. 특히, 하우징(104)과 연료 전지(102) 사이의 시일이 중요할 수 있다. 따라서, 제 1 시일 또는 가스켓(130)은 연료 전지(102)와 하우징(104) 사이에 배치되어 있다.
제 1 시일(130) 및/또는 유사 또는 동일한 제 2 시일(132)은 애노드챔버(124)내의 연료가 캐소드 챔버(126)내의 산소와 혼합되는 것을 차단한다. 또한, 이러한 시일(130, 132)은 임의의 반응물, 생성물 또는 고온에서 존재할 수 있는 다른 물질의 대기로의 배출을 방지한다.
도 1에 도시한 시스템(100)과 같은 많은 고온 연료 전지 시스템에 있어서, 하우징(104)은 스테인리스강 또는 다른 구조 재료로 구성되고, 연료 전지(102)는 세라믹 또는 다른 재료를 포함한다. 스테인리스강 하우징과 세라믹 연료 전지 구성요소 사이의 계면부(127, 128)는 고온 상태에서 유지되기가 매우 어렵다. 그러나, 에어로겔로 구성되는 가스켓은 연료 전지 시스템 구성요소 사이의 소망의 시일을 제공할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
에어로겔은 극도로 낮은 밀도의 개선된 유연성 재료이며, 고온에 대한 내열성도 있다. 에어로겔은 1400℃까지의 온도에 대해 내열성을 갖는다. 보통, 에어로겔 체적의 96%이상이 공기이며, 나머지 부분은 실리카(이산화규소)의 성긴 매트릭스(silica matrix)를 포함한다. 일부 에어로겔은 체적의 99.9%까지가 공기이며, 0.1%만이 실리카이다. 본원에 사용된 바와 같이, 저밀도 재료는 체적의 90%이상이 공기 또는 빈 공간인 재료이다. 에어로겔 및 에어로겔 시트가 다양한 원료로부터 상업적으로 이용가능하다. 본원에 사용된 바와 같은 용어 "에어로겔"은 제 1 또는 제 2 성분으로서 에어로겔을 사용하는 임의의 생성물을 포함한다. 에어로겔 가스켓(130, 132)은 실리콘계 에어로겔로 구성되는 것이 바람직하다.
에어로겔은 전형적으로 다공질이며 투명하다. 따라서, 일부 실시예에 따르면, 에어로겔은 고온 연료 전지 밀봉 제품에 대한 통기성을 감소 또는 제거하기 위해 분쇄 및 재구성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 에어로겔은 고온 연료 전지에 사용하기 전에 통기성을 감소시키기 위해 스킨(skin)(예컨대, 가스 불침투성 스킨)에 의해 피복될 수도 있다.
하우징(104)과 연료 전지(102) 사이에 도시한 에어로겔 가스켓(130, 132)에 추가하여, 에어로겔로 구성되는 임의의 개수의 추가적인 시일 또는 가스켓이 다른 연료 전지 시스템(100)의 구성요소 사이에 사용될 수도 있다. 도 1의 실시예에 따르면, 연료 공급부(106)와 하우징(104) 사이의 계면부에 제 3 에어로겔 시일(134)과, 산소 공급부(108)와 하우징(104) 사이의 계면부에 제 4 에어로겔 시일(136)과, 배기 경로(110, 112)와 하우징(104) 사이의 계면부에 제 5 및 제 6 에어로겔 시일(138, 140)과, 전기 상호접속부(114, 116)와 하우징(104) 사이의 계면부에 제 6 및 제 7 에어로겔 시일(142, 144)이 있다. 게다가, 고온 연료 전지 시스템 구성요소 사이에 임의의 개수의 다른 에어로겔 시일 또는 가스켓이 특정 요구에 따라 사용될 수도 있다.
또한, 도시한 시일은 예시적인 것이며 상세하게 참조된 특정 구성요소 및 계면부에 한정되지 않는다. 또한, 고온 연료 전지 시스템(100)이 도시한 바와 같은 에어로겔 시일의 하나하나를 가질 필요는 없으며, 일부 실시예에 있어서 임의의 2개의 고온 시스템 구성요소 사이에 하나의 에어로겔 시일로서 몇 개가 존재할 수도 있다.
상술된 에어로겔 가스켓 또는 시일 각각은 에어로겔 시트를 임의의 소망 구조로 스탬핑(stamping) 또는 절단함으로써 제조될 수 있다. 일 실시예에 따르면,에어로겔 시트는 가스켓을 형성하기 위해 워터 젯(water jet)에 의해 절단된다. 그러나, 임의의 다른 형성법, 주조(casting), 스탬핑 또는 절단 방법도 사용될 수 있다. 고온 연료 전지 시스템의 시일에 유용할 수 있는 구성에 대한 몇 가지의 예가 도면을 참조하여 후술되어 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 환형 시일 또는 가스켓(240)이 도시되어 있다. 환형 시일(240)은 연료 전지, 예컨대 관형 고체 산화물 연료 전지(202) 주위에 배치된 에어로겔 가스켓이다. 관형 고체 산화물 연료 전지(202)는 내부 통로(242)를 거쳐 연료를 수용할 수 있다. 도 2b에 도시한 바와 같이, 환형 시일(240)은 하우징(204)과 관형 고체 산화물 연료 전지(202) 사이에 개재될 수 있다. 에어로겔로 구성되는 환형 시일(240)은 가요성이 있으며, 밀봉될 공간에 순응하도록 변형시킬 수 있다. 또한, 시일(240)은 높은 내열성을 갖는다. 따라서, 환형 시일(240)은, 강으로 제조될 수 있는, 하우징(204) 등의 고온 연료 전지 구성요소와, 세라믹 제료로 제조될 수 있는 고체 산화물 연료 전지(202) 사이에 우수한 시일을 제공한다. 또한, 환형 시일(240)은 고온 연료 전지 시스템 구성요소의 다른 계면부를 밀봉할 수도 있다. 도 2a 및 도 2b의 실시예는 사실상 예이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 고온 연료 전지 시스템용 다른 에어로겔 시일 구성이 도시되어 있다. 도 3a 및 도 3b의 실시예에 따르면, 시일은 에어로겔로 구성된 플랜지형 가스켓(340)이다. 플랜지형 가스켓(340)은 편평한 고체 산화물 연료 전지 튜브(302)와 고온 연료 전지 시스템용 하우징[도 3b에서의 참조부호(304)] 사이에 배치된다. 편평한 고체 산화물 연료 전지 튜브(302)는 플랜지형 단부(303)를 포함한다. 에어로겔로 구성되는 플랜지형 가스켓(340)은 고온 연료 전지 시스템의 하우징(304)과 편평한 고체 산화물 연료 전지 튜브(302)의 플랜지형 단부(303) 사이의 계면부를 유리하게 밀봉한다. 플랜지형 가스켓(340)내에 구비된 적유연한 내열성 에어로겔 물질은 스테인리스강 하우징 및 세라믹 고체 산화물 연료 전지 튜브 등의 일반적으로 양립할 수 없는 물질 세트 사이에서도 매우 효과적이다.
연료 및 다른 반응물은 플랜지형 가스켓(340)을 통과하여 화살표(342)로 표시된 바와 같이 편평한 고체 산화물 연료 전지 튜브(302)에 도입될 수 있다. 플랜지형 가스켓(340)은 한정되지는 않지만, 원형, 타원형 및 다각형을 포함하는 다수의 상이한 형상으로 형성될 수 있으며, 도시된 형상에 한정되지 않는 것으로 이해될 것이다. 플랜지형 가스켓(340)은 임의의 형상으로 형성되어서, 고온 연료 전지 시스템내의 임의의 계면부를 밀봉할 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 고온 연료 전지 시스템용 다른 에어로겔 시일 구성이 도시되어 있다. 도 4a 및 도 4b의 실시예에 따르면, 시일은 에어로겔로 구성되는 주변 가스켓(perimeter gasket)(440)이다. 주변 가스켓(440)은 평면형 고온 연료 전지(402)의 주변부(442)에 배치된다. 주변 가스켓(440)은 평면형 고온 연료 전지(402)와 하우징[도 4b에서의 참조부호(404)] 사이에 개재될 수 있다. 대안적으로, 또는 연료 전지(402)와 하우징(404) 사이의 배열에 추가하여, 주변 가스켓(440)이 다중 평면형 고온 연료 전지(402) 사이에 적층하여 사용될 수 있다.
화살표(444)는 전류를 발생시키는데 사용된 연료 전지 반응물용 연료 유동로를 표시하고 있다. 연료, 공기(산소) 또는 배기 가스의 흐름은 하우징(404)내의 하나 또는 그 이상의 포트(446)를 통하여 하우징(404)으로 도입되거나 또는 그로부터 배출될 수 있다.
다음에, 도 5를 참조하면, 전자 장치(500)가 도시되어 있다. 이러한 장치(500)는 전력원으로서 연료 전지 시스템을 구비하고 있다. 연료 전지 시스템은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예를 포함하여, 연료 전지 시스템 구성요소 사이의 시일을 제공하는 것이 바람직하다.
도 5는 도 1과 관련하여 상술된 것과 같은 고온 연료 전지 시스템을 이용한 전자 장치(500)를 도시하고 있다. 도 5의 실시예에 따르면, 고온 연료 전지 시스템(501)은 전기 부하(502)와 전기적으로 연통한다. 고온 연료 전지 시스템(501)은 도 1 내지 도 4b와 관련하여 상술된 구성요소와 같이 임의의 2개의 구성요소 사이의 하나 또는 그 이상의 에어로겔 시일을 포함한다.
고온 연료 전지 시스템(501)은 회로(506)를 거쳐 전력을 전기 부하(502)에 제공할 수 있다. 전기 부하(502)에는, 한정되지는 않지만 자동차 모터(및 다른 자동차의 전자제품), 라이트, 가정 보조 전력 유닛, 컴퓨터 또는 전기로 구동하는 다른 장치를 포함하는 임의의 전기식 작동 장치가 있다. 또한, 전류 소비 회로(506)는 고온 연료 전지 시스템(501)과 병렬로 도시된 선택적인 전기 커패시터 또는 배터리(510)에 접속될 수도 있다. 전기 커패시터 또는 배터리(510)는 보조 전력을 전기 부하(502)에 제공할 수 있다.
상술한 기술은 단지 본 발명을 설명 및 기술하기 위해 제공되었다. 개시된임의의 정확한 형태로 본 발명을 배제하거나 한정하도록 의도된 것은 아니다. 다수의 변형 및 변경이 상기 교시의 견지에서 가능하다. 본 발명의 범위는 이하의 특허청구범위에 의해 규정되는 것으로 의도된다.
본 발명에 따르면, 2개 또는 그 이상의 구성요소 사이에 배치된 에어로겔 가스켓을 포함하는 고온 시일을 이용하여 연료 전지 시스템을 효과적으로 제조할 수 있다.

Claims (10)

  1. 고온 시일에 있어서,
    고온 연료 전지 시스템(100)의 2개 또는 그 이상의 구성요소 사이에 배치된 에어로겔 가스켓(130)을 포함하는
    고온 시일.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어로겔 가스켓(130)은 연료 전지 하우징(104)과 고체 산화물 연료 전지(102) 사이에 배치된
    고온 시일.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어로겔 가스켓(130)은 연료 전지(102)의 입력부(106, 108) 또는 배기부(110, 112) 주위에 배치된
    고온 시일.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어로겔 가스켓(130)은 환형 형상부(240)를 갖는
    고온 시일.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 에어로겔 가스켓(130)은 직사각형 연료 전지(402)의 주변부를 수용하도록 형성된 직사각형 형상부(440)를 갖는
    고온 시일.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어로겔 가스켓(130)은 분쇄 및 재구성된 에어로겔로 구성되는
    고온 시일.
  7. 연료 전지 시스템에 있어서,
    하우징(104)내의 고온 연료 전지(102)와,
    상기 연료 전지(102)에 연료를 제공하기 위한 연료 공급부(106)와,
    상기 연료 전지(102)에 산소를 제공하기 위한 산소 공급부(108)와,
    상기 연료 전지(102)로부터 배기하기 위한 배기 경로(110, 112)와,
    상기 하우징(104)과 상기 연료 전지(102) 사이에 배치된 제 1 에어로겔 시일(130)을 포함하는
    연료 전지 시스템.
  8. 고온 시일을 제조하는 방법에 있어서,
    에어로겔 시트를 절단하여 가스켓(130, 240, 440)을 제조하는 단계를 포함하는
    고온 시일 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가스켓(130, 240, 440)을 절단하여 고체 산화물 연료 전지(102)의 2개의 구성요소 사이에 계면부(127)를 맞추는 단계를 더 포함하는
    고온 시일 제조 방법,
  10. 고온 시일을 이용하는 방법에 있어서,
    고온 연료 시스템의 2개의 구성요소 사이에 에어로겔 가스켓을 삽입하는 단계를 포함하는
    고온 시일 이용 방법.
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