KR20050006651A - Molten carbonate fuel cell with simplified central distribution separator - Google Patents

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KR20050006651A KR1020030046541A KR20030046541A KR20050006651A KR 20050006651 A KR20050006651 A KR 20050006651A KR 1020030046541 A KR1020030046541 A KR 1020030046541A KR 20030046541 A KR20030046541 A KR 20030046541A KR 20050006651 A KR20050006651 A KR 20050006651A
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Abstract

PURPOSE: A molten carbonate salt fuel cell is provided, to inhibit the generation of a high temperature part by reducing the pressure generated by the flow of gas by shortening the length of channel of an oxidant gas, and to improve the reliance of a fuel cell by simplifying the structure of a separator and a stack. CONSTITUTION: The molten carbonate salt fuel cell comprises a laminate of a plurality of unit cells(8) comprising a pair of air porous electrode plates(9a, 9b), a pair of fuel porous electrode plates(11a, 11b), and an electrolyte plate(10) located between a pair of air porous electrode plates(9a, 9b) and a pair of fuel porous electrode plates(11a, 11b), with interposing a separator(3), wherein the separator comprises a fuel electrode-side mask plate(4a) at the upper part and an air electrode-side mask plate(4b) at the lower part with a center of a center plate(6) to allow an oxidant gas to react with a fuel gas by passing through a channel. Inner manifolds(12a, 12b, 12c) are connected with oxidant gas introduction and discharge manifolds(14a, 14b, 14c) to allow the oxidant gas to be introduced through an inner manifold(12a) formed at the central part of the separator so as to react by passing the channel and to be discharged through the manifolds(14b, 14c) located at both sides. The fuel gas is introduced through an inner manifold(13a) formed at one side part of the separator to react by passing the channel and is discharged through fuel gas introduction and discharge manifolds(15a, 15b) located at opposite side part.

Description

중앙분배형 분리판을 겸비한 용융탄산염 연료전지{Molten carbonate fuel cell with simplified central distribution separator}Molten carbonate fuel cell with simplified central distribution separator}

본 발명은 중앙분배형 분리판을 겸비한 용융탄산염형 연료전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 분리판 중앙부에 상대적으로 유량이 훨씬 많은 산화제가스의 도입을 위한 내부 매니폴드를 설치하고, 분리판 양 측면에 반응 후 가스의 배출을 위한 내부 매니폴드를 설치하여, 산화제가스의 유로 길이를 단축시켜 가스흐름에 의해 발생하는 압력을 감소시켜 다량의 산화제가스의 공급을 가능케 하여 고온부의 발생을 억제하며, 연료가스는 분리판의 한쪽 측면에 설치된 내부 매니폴드를 통해 공급되어 반대편 측면에 설치된 내부 매니폴드를 통해 배출시켜, 분리판 및 스택의 구조를 단순화시킴으로 인해 발전플랜트로서 연료전지의 신뢰성 및 경제성을 향상시킬 수 있는 중앙분배형의 분리판을 사용하는 용융탄산염 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a molten carbonate fuel cell having a central distribution type separator. More specifically, an internal manifold for introducing an oxidant gas having a much higher flow rate is provided at the center of the separator plate, and internal manifolds for discharging gas after reaction are provided on both sides of the separator plate, thereby providing an oxidant gas flow path. By shortening the length, the pressure generated by the gas flow is reduced to enable the supply of a large amount of oxidant gas to suppress the occurrence of high temperature parts, and the fuel gas is supplied through the internal manifold installed on one side of the separation plate to the opposite side. The present invention relates to a molten carbonate fuel cell using a centrally distributed separator that can be discharged through an installed internal manifold to simplify the structure of the separator and the stack, thereby improving the reliability and economy of the fuel cell.

근래, 고효율이고 환경 친화적인 연료전지 발전이 새로운 전기에너지원으로각광받고 있다. 이러한 연료전지는 연료의 공급에 의해 지속적으로 발전하는 특성을 가지는 것으로서, 주로 연료로 수소를 사용하고, 산화제로 공기중의 산소를 사용하여 수소의 산화 및 산소의 환원과정을 통해 물을 발생시키며 발전하는 시스템이다.In recent years, the development of high efficiency and environmentally friendly fuel cells has been spotlighted as a new electric energy source. This fuel cell has a characteristic of continuously generating power by supplying fuel, and mainly uses hydrogen as a fuel and oxygen in the air as an oxidant to generate water through oxidation of hydrogen and reduction of oxygen. It is a system.

특히, 용융탄산염형 연료전지는 탄산염으로 된 전해질이 고온에서 용융되어 전극반응을 일으키기 때문에 비교적 고온에서 발전하는 시스템으로서, 수소의 산화 및 산소의 환원에 고가의 귀금속 촉매가 필요하지 않아, 일산화탄소와 같은 피독성 가스의 사용이 용이하여, 석탄가스를 연료로 사용할 수 있다는 특징을 가지고 있으며, 고온의 폐열을 이용할 수 있어 효율이 높다는 특징을 가지고 있다.In particular, the molten carbonate fuel cell is a system that generates electricity at a relatively high temperature because an electrolyte made of carbonate melts at a high temperature to cause an electrode reaction, and does not require an expensive noble metal catalyst for oxidation of hydrogen and reduction of oxygen, such as carbon monoxide. It is easy to use the poisonous gas, and it has the characteristic that coal gas can be used as a fuel, and it has the characteristic that it can use high temperature waste heat and high efficiency.

이와 같은 용융탄산염형 연료전지는 전극반응을 원활히 진행하기 위해 넓은 표면적의 다공성 전극을 사용하며, 이 두 전극의 사이에 세라믹 다공체에 함침된 용융탄산염이 주로 수소로 구성된 연료와 산소와 이산화탄소로 구성된 산화제의 직접 접촉을 막아주며, 공기극에서 생성된 탄산이온(CO3 2-)이 연료극으로 이동하는 통로의 역할을 수행하게 된다.The molten carbonate type fuel cell uses a porous electrode having a large surface area to facilitate the electrode reaction, and the molten carbonate impregnated in the ceramic porous body between the two electrodes is mainly composed of hydrogen and an oxidant composed of oxygen and carbon dioxide. It prevents direct contact with and serves as a passage through which carbonate (CO 3 2- ) generated from the cathode moves to the anode.

H2+ CO3 2-→ H2O + CO2+ 2e- (연료극)H 2 + CO 3 2- → H 2 O + CO 2 + 2e- (Fuel pole)

1/2O2+ CO2+ 2e- → CO3 2-(공기극)1 / 2O 2 + CO 2 + 2e- → CO 3 2- (air electrode)

대개의 연료전지에서 효율을 향상시키기 위해 높은 연료 이용률 조건에서 운전하게 되며, 용융탄산염형 연료전지에서는 발전시 스택 냉각을 위해 낮은 산화제이용률 조건에서 운전하게 된다. 그리고 산화제로 공기중의 산소를 이용하므로 연료가스 유량에 비해 산화제 가스의 유량이 수배에 이르게 된다.Most fuel cells operate at high fuel utilization conditions to improve efficiency, while molten carbonate fuel cells operate at low oxidant utilization conditions for stack cooling during power generation. In addition, since oxygen in the air is used as the oxidant, the flow rate of the oxidant gas is several times higher than that of the fuel gas.

다른 모든 연료전지와 마찬가지로 용융탄산염형 연료전지도 단위전지의 이론기전력이 약 1 V로서 낮고, 실제 사용하기에는 부적절하다. 이러한 단위전지를 직렬 연결하여, 전압을 상승시켜 적절한 용량의 발전시스템으로 구성하여 사용하게 된다. 즉, 한 쌍의 다공질 전극판(연료극 및 공기극)과 이들 사이에 알칼리탄산염이 함침된 전해질판으로 구성된 단위전지를 전도성의 분리판을 매개하여 적층한다. 이때 분리판은 각 단위전지간의 전기적인 접속을 제공함과 동시에 연료극에 연료가스의 유로와 공기극에 산화제가스의 유로를 제공하는 역할을 한다.As with all fuel cells, the molten carbonate type fuel cell has a low theoretical electromotive force of about 1 V, which is not suitable for practical use. These unit cells are connected in series, and the voltage is increased to form a power generation system having an appropriate capacity. That is, a unit cell composed of a pair of porous electrode plates (fuel electrode and air electrode) and an electrolyte plate impregnated with alkali carbonate therebetween is laminated via a conductive separator plate. At this time, the separator serves to provide an electrical connection between each unit cell and to provide a flow path of fuel gas to the anode and a flow path of oxidant gas to the cathode.

이와 같은 적층 구조의 연료전지는 반응가스의 분배 및 회수기능을 가지는 매니폴드가 필요하게 되는데, 반응에 필요한 가스는 입구 매니폴드를 통해 공급되어, 공기극 및 연료극 반응을 거친 후에 반대편 매니폴드를 통해 외부로 배출되게 된다. 그리고 각 단위전지의 주변부에는 전지내부 가스와 외부가스의 혼합을 방지하기 위한 용융탄산염에 의한 웨트실(wet seal)부가 형성되어 있다. 이 웨트실부는 매니폴드간의 누설을 방지한다.Such a stacked fuel cell requires a manifold having a function of distributing and recovering reactant gas. The gas required for the reaction is supplied through an inlet manifold, and then passes through an air electrode and a fuel electrode reaction. Will be discharged. In the periphery of each unit cell, a wet seal portion made of molten carbonate is formed to prevent mixing of the gas inside the battery and the outside gas. This wet seal prevents leakage between manifolds.

그러나 연료전지의 경우 연료가 가지는 에너지의 일부가 전기에너지로 변하게 되며, 나머지는 대개 열로 변하게 된다. 따라서 적층 연료전지의 경우 적층의 정도에 따라 발열량이 다르게 되나, 적층이 많아질수록 발열량이 많게되어 가스의 출구부분에서 고온부가 발생하게 된다. 이러한 고온부는 연료전지 구성요소인 전극, 전해질 및 분리판에 악영향을 미치게 된다. 즉 다공질 전극에 있어서 고온에의한 다공 구조의 변화, 액상 전해질의 증발, 금속 분리판의 부식증대에 의해 전해질 소모 및 분리판의 변형, 그리고 이러한 원인에 의한 연료가스의 누설이 발생하여 연료전지 본체의 수명을 크게 단축시킬 수 있다.However, in the fuel cell, part of the energy of the fuel is converted into electrical energy, and the rest is usually converted into heat. Therefore, in the case of the laminated fuel cell, the amount of heat generation varies depending on the degree of stacking, but as the number of stacks increases, the amount of heat generated increases and a high temperature portion is generated at the outlet portion of the gas. These high temperatures adversely affect the electrodes, electrolytes and separators that are fuel cell components. In other words, changes in the porous structure due to the high temperature of the porous electrode, evaporation of the liquid electrolyte, increase of corrosion of the metal separator, electrolyte consumption and deformation of the separator, and leakage of fuel gas due to this cause the fuel cell body. It can greatly shorten the service life.

이러한 고온부의 발생을 억제하기 위해 유량이 훨씬 많고 공기가 주성분인 산화제가스를 과잉으로 공급하는 방식을 주로 사용하고 있다. 그러나 정해진 유로에서 과잉의 공기 공급은 유로에서의 가스 이동에 저항을 제공하여 압력의 상승을 유발시키게 된다. 용융탄산염형 연료전지는 다공성 세라믹에 함침된 전해질에 의해 웨트실(wet seal)의 형태로 연료 및 산화제가스가 격리되어 있다. 그러나 고온부 억제를 위해 과량의 산화제를 공급하면 유로에서 과다한 압력 상승이 일어나 웨트실(wet seal)이 파괴되어 연료가스의 누설이 일어나고 연료전지 본체의 수명을 크게 제약할 수 있다.In order to suppress the occurrence of such a high temperature part, a method of supplying an excessive amount of oxidant gas, which has a much higher flow rate and air as a main component, is mainly used. However, excess air supply in a given flow path will provide resistance to gas movement in the flow path, causing an increase in pressure. In the molten carbonate fuel cell, fuel and oxidant gas are segregated in the form of a wet seal by an electrolyte impregnated with a porous ceramic. However, when an excessive amount of oxidant is supplied to suppress the high temperature part, excessive pressure rise occurs in the flow path, and a wet seal is broken, which may cause leakage of fuel gas and greatly limit the life of the fuel cell body.

예를 들어, 일본국 공개특허공보 소62-202,465호와 소61-248,364호는 연료전지 본체에 내부 및 외부 매니폴드를 사용하여 연료가스의 도입 및 배출은 내부 매니폴드를 이용하고, 가스량이 많아 냉각에 주로 사용되는 산화제가스는 외부 매니폴드를 사용하므로 긴 산화제가스 유로를 가지고 있다. 이들 시스템에서는 발전 시에 고온부를 억제하기 위해 다량의 산화제가스를 사용해야 하고, 따라서 발생하는 압력에 의해 웨트실의 파괴와 이에 따르는 연료가스 누설을 피할 수 없는 점을 가지고 있다. 그리고 한국공개특허공보 제 2003-32310호는 연료가스 및 산화제 가스를 모두 중앙에서 분배함에 따라 고온부 억제효과는 뛰어나나 분리판 구조 및 스택 구조가 복잡하게 되어 비경제적인 면을 가지고 있다.For example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 62-202,465 and 61-248,364 use internal and external manifolds in the fuel cell body, and the introduction and discharge of fuel gas uses internal manifolds, and the amount of gas is large. The oxidant gas mainly used for cooling has a long oxidant gas flow path because it uses an external manifold. In these systems, a large amount of oxidant gas must be used to suppress a high temperature part during power generation, and thus, the pressure generated causes inevitable destruction of the wet seal and subsequent fuel gas leakage. In addition, Korean Patent Publication No. 2003-32310 distributes fuel gas and oxidant gas centrally so that the effect of suppressing the hot portion is excellent, but the separation plate structure and the stack structure are complicated, which makes it uneconomical.

이에 본 발명은 종래 기술이 가지지 못하는 연료전지 본체의 고온부 억제효과와 분리판 및 스택구조가 단순화된 중앙분배형 분리판을 겸비한 용융탄산염 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a molten carbonate fuel cell having a high temperature part suppression effect of a fuel cell body and a centrally distributed separator having a simplified separation plate and stack structure, which the prior art does not have.

본 발명은 또한 용융탄산염형 연료전지의 수명에 크게 영향을 미치는 고온부의 발생을 억제하고, 복잡한 구조의 분리판의 사용에 따른 연료전지의 비경제성을 해결할 수 있는 중앙분배형 분리판을 겸비한 용융탄산염 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.The present invention also suppresses the occurrence of high temperature parts that greatly affect the life of the molten carbonate fuel cell, and also has a molten carbonate having a centrally distributed separator that can solve the inefficiency of the fuel cell due to the use of a complicated separator. The purpose is to provide a fuel cell.

도 1은 본 발명에 따른 실시예에 해당하는 용융탄산염형 연료전지의 개략적인 구성을 나타내기 위한 분리 사시도 이고,1 is an exploded perspective view for illustrating a schematic configuration of a molten carbonate fuel cell corresponding to an embodiment according to the present invention;

도 2는 도 1의 연료전지에 있어서 분리판의 일부 절개 사시도 이며,FIG. 2 is a partially cutaway perspective view of the separator in the fuel cell of FIG. 1;

도 3은 도 2의 분리판의 평면도이고,3 is a plan view of the separator of FIG. 2,

도 4a는 도 3의 A-A 선에 따른 연료전지의 단면도이고,4A is a cross-sectional view of the fuel cell taken along the line A-A of FIG.

도 4b는 도 3의 B-B선에 따른 연료전지의 단면도이다.4B is a cross-sectional view of the fuel cell taken along line B-B of FIG. 3.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1 : 연료전지 본체, 2a, 2b : 엔드 플레이트,1: fuel cell body, 2a, 2b: end plate,

3 : 분리판, 4a : 연료극 마스크 플레이트,3: separator plate, 4a: anode mask plate,

4b : 공기극 마스크 플레이트, 5a, 5b : 연료극 주름판,4b: air electrode mask plate, 5a, 5b: anode corrugated plate,

7a, 7b : 공기극 주름판, 6 : 센타 플레이트,7a, 7b: air cathode corrugated plate, 6: center plate,

8 : 단위전지, 9a, 9b : 공기극 다공질 전극판,8: unit cell, 9a, 9b: air electrode porous electrode plate,

11a, 11b : 연료극 다공질 전극판, 10 : 전해질판,11a, 11b: fuel electrode porous electrode plate, 10: electrolyte plate,

12a : 산화제가스 도입 내부 매니폴드,12a: oxidant gas introduced internal manifold,

12b, 12c : 산화제가스 배출 내부 매니폴드,12b, 12c: oxidant gas discharge internal manifold,

13a : 연료가스 도입 내부 매니폴드,13a: internal manifold for fuel gas introduction,

13b : 연료가스 배출 내부 매니폴드,13b: fuel gas exhaust internal manifold,

14a : 산화제가스 도입 매니폴드,14a: oxidant gas introduction manifold,

14b, 14c : 산화제가스 배출 매니폴드,14b, 14c: oxidant gas exhaust manifold,

15a : 연료가스 도입 매니폴드, 15b : 연료가스 배출 매니폴드,15a: fuel gas introduction manifold, 15b: fuel gas discharge manifold,

O : 산화제가스, R : 연료가스.O: oxidant gas, R: fuel gas.

본 발명은 한 쌍의 공기극 다공질 전극판과 한 쌍의 연료극 다공질 전극판의 사이에 전해질판이 위치하여 구성된 단위 전지가 분리판을 매개로 하여 복수개가 적층되어서 이루어지고, 상기 분리판은 산화제 및 연료가스가 유로를 거치면서 반응할 수 있도록 센타 플레이트를 중심으로 상부에 연료극쪽 마스크 플레이트와 하부에 공기극쪽 마스크 플레이트로 구성되어 있는 용융탄산염형 연료전지로서, 상기 분리판의 중앙부위에 있는 내부 매니폴드를 통해서 산화제가스가 도입되어 유로를 거치면서 반응한 후 양 측면에 위치하는 내부 매니폴드를 통해서 배출될 수 있도록 상기 내부 매니폴드에 각각 산화제가스 도입 및 배출 매니폴드가 각각 연결 설치되어 있고, 상기 분리판의 한 측면에 위치하는 내부 매니폴드를 통해서 연료가스가 도입되어 유로를 거치면서 반응한 후 다른 반대편 측면에 있는 내부 매니폴드로 배출될 수 있도록 연료가스 도입 및 배출 매니폴드가 각각 연결 설치되어 있는 것을특징으로 한다.The present invention is made by stacking a plurality of unit cells in which an electrolyte plate is disposed between a pair of cathode porous electrode plates and a pair of anode porous electrode plates via a separator plate, and the separator plate comprises an oxidant and a fuel gas. A molten carbonate type fuel cell composed of a mask plate on the anode side and a cathode mask plate on the lower side centering on the center plate so as to react through the flow path. The oxidant gas introduction and discharge manifolds are respectively connected to the internal manifolds so that the oxidant gas is introduced through the flow path and reacted through the flow paths and then discharged through the internal manifolds located at both sides thereof. Fuel gas is introduced through an internal manifold located on one side of the After the reaction, the fuel gas introduction and discharge manifolds are connected to each other so that they can be discharged to the internal manifold on the other side.

특히, 본 발명의 용융탄산염형 연료전지는 상기 양 측면의 내부 매니폴드의 단면적이 중앙의 내부 매니폴드보다 작게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.In particular, the molten carbonate fuel cell of the present invention is characterized in that the cross-sectional area of the internal manifolds on both sides is smaller than that of the central internal manifold.

이와 같은 본 발명은 유량이 상대적으로 많아 고온부 발생을 억제해 줄 수 있는 산화제가스를 연료전지 본체의 중앙부에 위치한 내부 매니폴드를 통해 공급하여 공기극을 흐르게 하고, 발전에 필요한 반응이 끝난 산화제 가스는 양 측면에 설치한 내부 매니폴드를 통하여 배출되게 하며, 상대적으로 유량이 작은 연료가스는 한쪽 끝의 내부 매니폴드에서 공급하여 연료극을 통과시킨 후 반대쪽 끝에 위치한 내부 매니폴드를 통하여 배출되게 하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the oxidant gas is supplied through an internal manifold located at the center of the fuel cell main body to supply the oxidant gas, which has a relatively high flow rate, which can suppress the occurrence of the high temperature part. It is discharged through the inner manifold installed on the side, the fuel gas with a relatively small flow rate is supplied from the inner manifold at one end to pass through the anode and is discharged through the inner manifold located at the opposite end .

이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.This invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 용융탄산염형 연료전지가 발전 시에 발생되는 열에 의해 고온부가 형성되고, 이 고온부에 의해 다공질 전극의 구조변화, 액상 전해질의 증발 및 금속성 분리판의 부식 및 변형으로 인해 연료가스의 누설이 발생해 연료전지의 성능 및 수명을 단축시키는 것에 대해, 분리판 중앙부에 상대적으로 유량이 훨씬 많은 산화제가스의 도입을 위한 내부 매니폴드를 설치하고, 분리판 양 측면에 반응 후 가스의 배출을 위한 내부 매니폴드를 설치하여, 산화제가스의 유로 길이를 단축시켜 가스흐름에 의해 발생하는 압력을 감소시켜 다량의 산화제가스의 공급을 가능케 하고, 고온부의 발생을 억제하며, 연료가스는 분리판의 한쪽 측면에 설치된 내부 매니폴드를 통해 공급되어 반대편 측면에 설치된 내부 매니폴드를 통해 배출시켜, 분리판 및 스택의 구조를 단순화시킴으로 인해 발전플랜트로서 연료전지의 신뢰성 및 경제성을 향상시키기 위한 것이다.According to the present invention, a high temperature portion is formed by heat generated during generation of a molten carbonate fuel cell, and the leakage of fuel gas is caused by the structural change of the porous electrode, the evaporation of the liquid electrolyte, and the corrosion and deformation of the metallic separator plate. In order to reduce the performance and life of the fuel cell, the internal manifold for the introduction of the oxidant gas with a much higher flow rate is installed in the center of the separator plate, and the inside for the discharge of the gas after reaction on both sides of the separator plate. By installing a manifold, the passage length of the oxidant gas is shortened to reduce the pressure generated by the gas flow to enable the supply of a large amount of oxidant gas, to suppress the occurrence of high temperature parts, and the fuel gas is provided on one side of the separator plate. Supplied through the installed internal manifold and discharged through the installed internal manifold on the opposite side, As the power plant due sikimeuro simplify tank is to improve the reliability and economic efficiency of the fuel cell.

첨부 도면 중 도 1은 본 발명에 따른 실시예에 해당하는 용융탄산염형 연료전지의 개략적인 구성을 나타내기 위한 분리 사시도 이고, 도 2는 도 1의 연료전지에 있어서 분리판의 일부 절개 사시도 이며, 도 3은 도 2의 분리판의 평면도이고, 도 4a는 도 3의 A-A 선에 따른 연료전지의 단면도이고, 도 4b는 도 3의 B-B선에 따른 연료전지의 단면도이다.1 is an exploded perspective view for illustrating a schematic configuration of a molten carbonate fuel cell corresponding to an embodiment according to the present invention, and FIG. 2 is a partially cutaway perspective view of a separator in the fuel cell of FIG. 1. 3 is a plan view of the separator of FIG. 2, FIG. 4A is a cross-sectional view of the fuel cell taken along line AA of FIG. 3, and FIG. 4B is a cross-sectional view of the fuel cell taken along line BB of FIG. 3.

도 1에 있어서, 부호1은 전체가 장방형인 적층구조의 연료전지 본체이다. 이 연료전지 본체(1)는 상부 엔드 플레이트(2a)와 하부 엔드 플레이트(2b)의 사이에, 복수의 단위전지(8)가 분리판(3)을 매개로 하여 적층되어 있는 구조로 이루어진 것이다.In Fig. 1, reference numeral 1 denotes a fuel cell body having a lamination structure in its entirety. The fuel cell body 1 has a structure in which a plurality of unit cells 8 are stacked via a separator plate 3 between the upper end plate 2a and the lower end plate 2b.

단위전지(8)는 니켈계 함금으로 이루어진 한 쌍의 공기극 다공질 전극판(9a와 9b), 그리고 니켈계 합금으로 이루어진 한 쌍의 연료극 다공질 전극판(11a와 11b)의 사이에 전해질판(10)이 위치하여 구성되어 있다. 공기극(9a와 9b) 및 연료극(11a와 11b)은 소정의 간격(D)을 두고 분할되어 있다. 전해질판(10)은 예를 들면 탄산리튬이나 탄산칼륨 등을 혼합해서 만든 용융염 전해질을 리튬알루미네이트 등의 세라믹계 담지체에 함침시킨 것이다.The unit cell 8 includes an electrolytic plate 10 between a pair of cathode porous electrode plates 9a and 9b made of nickel-based alloy and a pair of anode porous electrode plates 11a and 11b made of nickel-based alloy. It is located and composed. The air electrodes 9a and 9b and the fuel electrodes 11a and 11b are divided at predetermined intervals D. The electrolyte plate 10 is impregnated with a ceramic carrier such as lithium aluminate such as a molten salt electrolyte prepared by mixing lithium carbonate, potassium carbonate or the like.

분리판(3)은 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 연료극쪽 마스크 플레이트(4a)와 공기극쪽 마스크 플레이트(4b)의 사이에 가스가 지나갈 수 있게 만든 연료극 주름판(5a와 5b) 그리고 공기극 주름판 (7a와 7b)이 센타 플레이트(6)를 사이에 두고위치하고 있다. 공기극 및 연료극 마스크 플레이트는 전해질판(10)과 직접 접촉하는 부분으로서 연료전지가 정상 작동 시에 부식성의 용융탄산염 전해질에 노출되는 부분이다. 이 부분의 부식을 방지하고자 마스크 플레이트는 예를 들어 스텐레스강 (STS 316 등)의 표면에 전해질판(10)과 직접 접촉되는 부분에 대해 내식성 표면처리 예를 들어 알루미늄 표면처리 등을 실시한 것이다.As can be seen in FIG. 2, the separator plate 3 has anode pleat plates 5a and 5b and cathode pleats which allow gas to pass between the anode side mask plate 4a and the cathode side mask plate 4b. Plates 7a and 7b are positioned with center plate 6 interposed therebetween. The cathode and anode mask plates are portions in direct contact with the electrolyte plate 10 and are portions in which the fuel cell is exposed to the corrosive molten carbonate electrolyte during normal operation. In order to prevent corrosion of this portion, the mask plate is subjected to corrosion resistant surface treatment, for example, aluminum surface treatment, on a portion of the stainless steel (STS 316, etc.) directly contacting the electrolyte plate 10.

그리고, 공기극 주름판(7a와 7b)은 예로 스텐레스강 (STS 316 등)을 사용하며, 연료극 주름판(5a와 5b)은 예를 들어 스텐레스 주름판(STS 316 등)에 니켈을 입힌 것을 사용한다. 또한, 분리판(3)에는 산화제가스 및 연료가스의 분배를 위한 내부 매니폴드가 위치하고 있다. 산화제 가스용 내부 매니폴드(12a, 12b, 12c)에는 센타 플레이트(6)와 공기극 마스크 플레이트(4b)가 접합되어 있어 공기극 가스인 산화제가스만이 통과하게 된다. 이에 비해 연료가스용 내부 매니폴드인(13a, 13b)에는 반대로 센타 플레이트(6)와 연료극 마스크 플레이트(4a)가 접합되어 있어, 연료가스만이 통과할 수 있게 되어있다. 그리고 센타 플레이트(6)와 양극의 마스크 플레이트(4a, 4b)는 분리판 주변부에서 접합되어 있어 가스의 누설이 발생하지 않게 되어있다.The cathode corrugated plates 7a and 7b use stainless steel (STS 316, for example), and the anode corrugated plates 5a and 5b use nickel coated on stainless steel corrugated plate (STS 316, for example). . In addition, the separator 3 is provided with an internal manifold for distributing oxidant gas and fuel gas. The center plate 6 and the cathode mask plate 4b are joined to the internal manifolds 12a, 12b, and 12c for the oxidant gas so that only the oxidant gas which is the cathode gas passes therethrough. In contrast, the center plate 6 and the anode mask plate 4a are joined to the internal manifolds 13a and 13b for fuel gas, so that only the fuel gas can pass therethrough. The center plate 6 and the anode mask plates 4a and 4b are joined at the periphery of the separator plate so that gas leakage does not occur.

그리고 도 3에서 알 수 있듯이 중앙의 산화제가스 도입 매니폴드(12a)를 통해 단위전지에 도입된 산화제 가스는 전극부분에서 발전에 필요한 전기화학반응에 참여한 뒤 배출 매니폴드(12b, 12c)를 통해 배출되게 된다. 그리고 분리판 한쪽의 연료가스 도입 매니폴드(13a)를 통해 도입된 연료가스는 분리판을 가로질러 반대편의 연료가스 배출 매니폴드(13b)를 통해 배출된다.3, the oxidant gas introduced into the unit cell through the central oxidant gas introduction manifold 12a is discharged through the discharge manifolds 12b and 12c after participating in the electrochemical reaction required for power generation at the electrode part. Will be. The fuel gas introduced through the fuel gas introduction manifold 13a on one side of the separator plate is discharged through the fuel gas discharge manifold 13b on the opposite side across the separator plate.

또한, 연료전지 본체(1)의 상부에 위치하는 엔드 플레이트(2a)는 하단면에 공기극 마스크 플레이트(4b) 및 주름판(7a, 7b)이 설치되어 있다. 또한 하부에 위치한 엔드 플레이트 2b에는 상단면에 연료극 마스크 플레이트(4a) 및 주름판(5a, 5b)이 설치되어 있다. 그리고 하부 엔드 플레이트(2b)의 중앙부에는 산화제가스 도입 내부 매니폴드(12a)에 산화제가스를 도입하기 위한 산화제가스 도입 매니폴드(14a) 및 산화제가스 배출 내부 매니폴드(12b와 12c)에 연결된 산화제가스 배출 매니폴드(14b와 14c)가 설치되어 있고, 연료가스를 도입하는 연료가스 도입 내부 매니폴드(13a)에 연료가스 도입 매니폴드(15a)가 연결되어 있고, 연료가스 배출 내부 매니폴드(13b)에 연결되어 있는 연료가스 배출 매니폴드(15b)가 설치되어 있다.In addition, in the end plate 2a positioned above the fuel cell body 1 , the cathode mask plate 4b and the corrugated plates 7a and 7b are provided on the bottom surface thereof. In addition, an anode mask plate 4a and a corrugation plate 5a, 5b are provided on the upper end surface at the lower end plate 2b. An oxidant gas connected to the oxidant gas introduction manifold 14a for introducing the oxidant gas into the oxidant gas introduction internal manifold 12a and the oxidant gas discharge internal manifolds 12b and 12c is provided at the center of the lower end plate 2b. The discharge manifolds 14b and 14c are provided, the fuel gas introduction manifold 15a is connected to the fuel gas introduction internal manifold 13a which introduces fuel gas, and the fuel gas discharge internal manifold 13b. The fuel gas discharge manifold 15b connected to is provided.

연료전지가 소정의 작동온도까지 상승하게 되면 전해질이 용융하여 연료극 마스크 플레이트(4a) 및 공기극 마스크 플레이트(4b)와 전해질판 사이에 웨트실(wet seal)이 형성되어 연료가스(R)와 산화제가스(O)가 접촉되지 않게 된다. 이 상태에서 연료극과 공기극에서 전기화학반응이 발생하게 되고, 연료전지는 전기에너지를 생성하게 된다.When the fuel cell is raised to a predetermined operating temperature, the electrolyte melts, and a wet seal is formed between the anode mask plate 4a, the cathode mask plate 4b, and the electrolyte plate to form the fuel gas R and the oxidant gas. (O) does not come into contact. In this state, an electrochemical reaction occurs at the anode and the cathode, and the fuel cell generates electrical energy.

산화제가스 도입 매니폴드(14a)를 통하여 공급된 산화제가스(O)는 도 4a 및 도 4b의 연료전지 본체의 단면도에 나타나 있듯이 산화제가스 도입 내부 매니폴드(12a)에서 각 단위전지로 수직방향으로 분배되게 되며, 분배된 각 가스는 수평방향으로 이동하여 발전에 필요한 반응을 수행한 뒤, 양끝의 산화제가스 배출 내부 매니폴드(12b, 12c)를 통하여 하부로 이동한 뒤 산화제가스 배출매니폴드(14b, 14c)를 통하여 배출된다. 연료가스 도입 매니폴드(15a)를 통하여 공급된 연료가스는 도 4에서와 같이 분리판의 한쪽 가장자리의 연료가스 도입 내부 매니폴드(13a)로 공급되어 발전에 필요한 전극반응을 수행한 뒤 반대편 연료가스 배출 내부 매니폴드(13b)와 연료가스 배출 매니폴드(15b)를 통해 배출된다.The oxidant gas O supplied through the oxidant gas introduction manifold 14a is vertically distributed from the oxidant gas introduction internal manifold 12a to each unit cell as shown in the cross-sectional views of the fuel cell body of FIGS. 4A and 4B. Each of the distributed gases moves in a horizontal direction to perform a reaction required for power generation, and then moves downward through the oxidant gas discharge internal manifolds 12b and 12c at both ends, and then the oxidant gas discharge manifold 14b, Through 14c). The fuel gas supplied through the fuel gas introduction manifold 15a is supplied to the fuel gas introduction internal manifold 13a at one edge of the separation plate as shown in FIG. 4 to perform an electrode reaction necessary for power generation, and then to the opposite fuel gas. It is discharged through the discharge internal manifold 13b and the fuel gas discharge manifold 15b.

본 발명의 용융탄산염형 연료전지는 스택을 가로질러 흐르는 연료가스보다 유량이 훨씬 많은 산화제가스를 스택 중앙에 위치한 내부 매니폴드로 공급함으로써 유로가 짧아 유로에서의 압력상승이 작아 다량의 산화제 가스를 공급할 수 있고, 중앙부의 낮은 입구 가스온도에 의해 스택에서 고온부의 발생이 억제된다.The molten carbonate fuel cell of the present invention supplies a large amount of oxidant gas by supplying an oxidant gas having a much higher flow rate than the fuel gas flowing across the stack to an internal manifold located at the center of the stack. And the occurrence of a high temperature portion in the stack is suppressed by the low inlet gas temperature in the center portion.

이상에서 기술한 바와 같이 본 발명에 의하면 연료전지내의 고온부의 발생이 억제되어 발전시스템으로서 내구성을 가지게 되며, 보다 단순화된 분리판 및 스택 구조로 인해 신뢰성과 경제성을 상승시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the generation of the high temperature part in the fuel cell is suppressed to have durability as a power generation system, and due to the simplified separator and stack structure, there is an effect of increasing reliability and economy.

Claims (2)

한 쌍의 공기극 다공질 전극판(9a, 9b)과 한 쌍의 연료극 다공질 전극판(11a, 11b)의 사이에 전해질판(10)이 위치하여 구성된 단위 전지(8)가 분리판(3)을 매개로 하여 복수개가 적층되어서 이루어지고, 상기 분리판(3)은 산화제 및 연료가스가 유로를 거치면서 반응할 수 잇도록 센타 플레이트(6)를 중심으로 상부에 연료극쪽 마스크 플레이트(4a)와 하부에 공기극쪽 마스크 플레이트(4b)로 구성되어 있는 용융탄산염형 연료전지에 있어서,The unit cell 8 constituted by the electrolyte plate 10 positioned between the pair of cathode porous electrode plates 9a and 9b and the pair of anode porous electrode plates 11a and 11b is used to mediate the separator plate 3. The separation plate 3 is formed on the fuel electrode side mask plate 4a and the lower part of the center plate 6 so that the oxidant and fuel gas can react while passing through the flow path. In the molten carbonate fuel cell constituted by the cathode side mask plate 4b, 상기 분리판(3)의 중앙부위에 있는 내부 매니폴드(12a)를 통해서 산화제가스가 도입되어 유로를 거치면서 반응한 후 양 측면에 위치하는 내부 매니폴드(12b, 12c)를 통해서 배출될 수 있도록 상기 내부 매니폴드(12a, 12b, 12c)에 각각 산화제가스 도입 및 배출 매니폴드(14a, 14b, 14c)가 각각 연결 설치되어 있고, 상기 분리판(3)의 한 측면에 위치하는 내부 매니폴드(13a)를 통해서 연료가스가 도입되어 유로를 거치면서 반응한 후 다른 반대편 측면에 있는 내부 매니폴드(13b)로 배출될 수 있도록 연료가스 도입 및 배출 매니폴드(15a, 15b)가 각각 연결 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 중앙분배형 분리판을 겸비한 용융탄산염형 연료전지.The oxidant gas is introduced through the internal manifold 12a at the center of the separator 3 and reacts through the flow path so as to be discharged through the internal manifolds 12b and 12c located at both sides. An oxidant gas inlet and outlet manifolds 14a, 14b, and 14c are connected to the inner manifolds 12a, 12b, and 12c, respectively, and are disposed on one side of the separation plate 3, respectively. The fuel gas introduction and discharge manifolds 15a and 15b are connected to each other so that the fuel gas is introduced through 13a) and reacted through the flow path and then discharged to the internal manifold 13b on the other side. Molten carbonate fuel cell having a central distribution type separator, characterized in that. 제 1항에 있어서, 상기 양 측면의 내부 매니폴드(13a, 13b)의 단면적은 중앙의 내부 매니폴드(12a) 보다 작게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중앙분배형 분리판을 겸비한 용융탄산염형 연료전지.2. The molten carbonate fuel cell having a central distribution separator as claimed in claim 1, wherein the cross-sectional areas of the inner manifolds 13a and 13b on both sides are smaller than the inner manifold 12a on the center. .
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