KR20060057023A - Electrolyte migration control for large area mcfc stacks - Google Patents

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KR20060057023A
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Abstract

The present invention relates to a new strategy against the electrolyte migration through the gasket in externally manifolded MCFC stacks. This is obtained by endowing a stack of molten carbonate fuel cells (MCFCs) of an electrolyte management tool separated from the cells by an electronically conductive material which is impervious to gas, characterised by the combination of the following elements: - a positive reservoir component external to the cathode of the first cell on the positive side of the battery, wherein said reservoir consists of one ore more porous layers of electronically conductive material and comprises at least one gas distributor, and - a negative reservoir component external to the anode of the last cell on the negative side of the battery, wherein said reservoir consists of one ore more porous layers of electronically conductive material.

Description

대면적 용융 탄산염 연료 전지 스택용 전해질 이동 제어 방법{ELECTROLYTE MIGRATION CONTROL FOR LARGE AREA MCFC STACKS}ELECTROLYTE MIGRATION CONTROL FOR LARGE AREA MCFC STACKS}

본 발명은 외부에 매니폴드를 구비한(externally manifolded) 스택에서 가스켓을 통한 전해질 이동의 능동적인 제어를 달성하도록 하는 용융 탄산염 연료 전지 장치에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 스택이 다수(50개 이상)의 대면적(3500 cm2 이상) 전지에 의해 구성될 때, 성능에 미치는 이러한 효과의 영향을 최소화하는 것이다. 그러한 전략은 특정 전지에 대한 개조를 요하지 않지만, 모든 전지는 동일한 성분에 의해 제조될 수 있다.The present invention relates to a molten carbonate fuel cell device that achieves active control of electrolyte movement through a gasket in an externally manifolded stack. It is an object of the present invention to provide a large stack (more than 50) of large area (3500 cm 2) The above is to minimize the effect of this effect on the performance when constructed by the battery. Such a strategy does not require modification to a particular cell, but all cells can be made by the same component.

연료 전지는 수소(또는 수소-풍부 연료)와 산소를 이용하여 전기화학적 과정에 의해 전기를 생산하는 장치이다.Fuel cells are devices that produce electricity by electrochemical processes using hydrogen (or hydrogen-rich fuel) and oxygen.

단일 연료 전지는 두 개의 박형 전극(다공성 음극과 양극) 사이에 샌드위치된 전해질로 구성되어 있다. 상이한 연료 전지 유형이 존재하는데, 그럼에도 불구하고 수소 또는 수소-풍부 연료는 음극에 공급되고, 산소 또는 공기는 양극에 공급 된다.A single fuel cell consists of an electrolyte sandwiched between two thin electrodes (porous cathode and anode). Different fuel cell types exist, nevertheless hydrogen or hydrogen-rich fuel is supplied to the cathode and oxygen or air is supplied to the anode.

예를 들면, 고분자 교환막(PEM) 및 인산 연료 전지의 경우, 음극 반응에 의해 생성된 양성자는 전해질을 통해 양극으로 이동하여 산소 및 전자와 결합하여 물과 열을 생성하게 된다.For example, in the case of a polymer exchange membrane (PEM) and a phosphate fuel cell, protons generated by a cathode reaction move to an anode through an electrolyte and combine with oxygen and electrons to generate water and heat.

알칼라인 용융 탄산염 및 고체 산화물 연료 전지의 경우, 음이온은 전해질을 통해 음극으로 이동하여 여기에서 수소와 결합하여 물과 전자를 생성한다. 전지의 음극측으로부터 발생하는 전자는 막을 지나 양으로 대전된 양극으로 이동할 수 없으며; 이들 전자는 전지의 타측에 도달하기 위해서는 전기 회로를 통해 막 주위를 이동하여야 한다. 전자의 이러한 운동이 전류이다.In the case of alkaline molten carbonate and solid oxide fuel cells, anions travel through the electrolyte to the cathode where they combine with hydrogen to produce water and electrons. Electrons originating from the negative side of the cell cannot move past the membrane to the positively charged positive electrode; These electrons must travel around the membrane through an electrical circuit to reach the other side of the cell. This movement of the electrons is the current.

용융 탄산염 연료 전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell)는 고온 연료 전지의 부류에 속한다. 고온의 작동 온도는 이들 전지가 연료 개질 장치(fuel processor)에 대한 필요 없이 천연 가스를 직접 사용 가능하게 하며, 또한 타 공급원 및 연료의 공업적 처리 과정으로부터 생기는 저-Btu 연료 가스와도 사용되어 왔다. 이러한 용융 탄산염 연료 전지는 1960년대 중반에 개발되어, 제조 방법, 성능 및 내구성에 있어서 많은 개선이 이루어져 왔다.Molten Carbonate Fuel Cells (MCFCs) are a class of high temperature fuel cells. Higher operating temperatures allow these cells to directly use natural gas without the need for a fuel processor, and have also been used with low-Btu fuel gases resulting from industrial processing of other sources and fuels. . Such molten carbonate fuel cells were developed in the mid-1960s, and many improvements have been made in manufacturing methods, performance and durability.

MCFCs는 기타 연료 전지와는 매우 상이한 방식으로 작동한다. 이들 전지는 탄산염의 용융 혼합물로 이루어진 전해질을 사용한다. 두 종류의 혼합물이 현재 사용되고 있다: 탄산리튬과 탄산칼륨, 또는 탄산리튬과 탄산나트륨. 탄산염을 용융시키고 전해질을 통한 고-이온 이동도를 달성하기 위하여, MCFCs는 고온(650℃)에서 동작한다.MCFCs operate in a very different way from other fuel cells. These cells use an electrolyte consisting of a molten mixture of carbonates. Two kinds of mixtures are currently used: lithium carbonate and potassium carbonate, or lithium carbonate and sodium carbonate. MCFCs operate at high temperatures (650 ° C.) to melt carbonates and achieve high-ion mobility through the electrolyte.

650℃ 정도의 온도로 가열될 경우, 이들 염은 용융되어 탄산염 이온(C03 2 -)에 대해 전도성이 된다. 전지의 동작시, 이들 이온은 양극 반응에 의해 생성되고 양극으로부터 음극으로 유동하여 여기에서 수소와 결합하여 물, 이산화탄소 및 전자를 생성하게 된다. 이들 전자는 외부 회로를 통해 다시 양극으로 보내져서 전기와 부산물인 열을 생성하게 된다. 이러한 과정에서 일어나는 반응은 다음과 같다:When heated to a temperature of about 650 ° C., these salts melt to become conductive to carbonate ions (C0 3 2 ). In operation of the cell, these ions are produced by the anodic reaction and flow from the anode to the cathode where they combine with hydrogen to produce water, carbon dioxide and electrons. These electrons are sent back to the anode through an external circuit, producing electricity and heat, a byproduct. The reactions that occur in this process are as follows:

음극 반응: CO3 2 - + H2 ⇒ H2O + CO2 + 2e- Cathode reaction: CO 3 2 - + H 2 ⇒ H 2 O + CO 2 + 2e -

양극 반응: C02 + 1/2 O2 + 2e- ⇒ CO3 2 - Anode Reaction: C0 2 + 1/2 O 2 + 2e - ⇒ CO 3 2 -

전체 전지 반응: H2(g) + 1/2 02(g) + CO2(양극) ⇒ H20(g) + C02(음극)Total cell reaction: H 2 (g) + 1/2 0 2 (g) + CO 2 (anode) ⇒ H 2 0 (g) + C0 2 (cathode)

MCFCs의 고온 작동 온도는 저온 PAFC 및 PEFC에 비해 장단점 모두가 있다. 더 높은 작동 온도에서, CO는 독(poison)이 아닌 연료로 작용하여, 연료원 용인성 및 메탄 개질이라는 양 측면에서 볼 때 비상한 이점이 있다. 더욱이, 천연 가스의 개질과 관련해서는, 이러한 이점은 MCFC의 폐열 자체를 열원으로서 직접 사용함으로써 생길 수 있다. 부가적인 장점으로는 제작에 스테인레스 강판과 같은 표준 재료를 사용할 수 있고, 전극 상에 니켈계 촉매의 사용이 허용된다는 점이 있다. MCFC로부터 생기는 부산물인 열은 고압 증기를 생성하는 데 사용될 수 있으며 이러한 고압 증기는 다양한 공업적 및 상업적 적용에 이용될 수 있다.The high temperature operating temperatures of MCFCs have both advantages and disadvantages over low temperature PAFCs and PEFCs. At higher operating temperatures, CO acts as a fuel rather than a poison, with extraordinary advantages in terms of both fuel source tolerance and methane reforming. Moreover, with regard to the reforming of natural gas, this advantage can be achieved by directly using the MCFC's waste heat itself as a heat source. An additional advantage is that standard materials such as stainless steel sheets can be used in the fabrication, and the use of nickel-based catalysts on the electrodes is allowed. Heat, a by-product from MCFC, can be used to generate high pressure steam, which can be used for a variety of industrial and commercial applications.

주요 기능적 요구사항과 관련해서는, 음극과 양극 사이에 삽입되는 다공성 세라믹 성분(전해질 매트릭스)내 모든 간극을 완전히 충진하는 것이 관건이다. 이렇게 충진하면 가스에 대한 장벽이 구성될 뿐만 아니라 성능의 저하도 방지된다(사실, 전해질의 빈자리에서는, 양극에 의해 생성된 CO3 2 - 이온의 음극으로의 수송이 일어나지 않는다). 양 전극 모두에 대해, 반응의 완료를 위한 본질적인 특성은 삼상(triphasic) 접촉면, 즉 가스/CO3 2 - 이온/전자의 상존이다. 따라서, 성능은 전극 재료의 전자-촉매 성질 외에도, 반응 부위로부터 가스와 CO3 2 - 이온의 접근/제거에 좌우됨이 분명하다. 그러므로, 전해질 양이 불충분할 때처럼 전극이 범람할(flooded) 때 역시 성능은 용인될 수 없다.With regard to the main functional requirements, it is key to completely fill all the gaps in the porous ceramic component (electrolyte matrix) inserted between the cathode and anode. This filling is not only a barrier to prevent gas composition lowering of performance (in fact, in the vacancies of electrolyte, the CO 2 generated by the cathode 3 - do the transport of the ion of the negative electrode occur). For both electrodes, the essential property for the completion of the reaction is the presence of a triphasic contact surface, ie gas / CO 3 2 - ions / electrons. Thus, it is evident that performance depends on the access / removal of gas and CO 3 2 ions from the reaction site, in addition to the electro-catalytic properties of the electrode material. Therefore, performance is also unacceptable when the electrode is flooded, such as when the amount of electrolyte is insufficient.

두 전극 각각에 대해, 성능을 증진시키기 위한 최적의 충진도가 존재한다: 즉 최적의 충진도로부터 벗어남은 효능도의 감소를 의미한다. 여하튼 간에 그러한 충진도가 여전히 용인될 수 있고 전지 특성이 어떠한 경우에도 활용될 수 있는 소정의 범위가 존재한다.For each of the two electrodes, there is an optimal fill to enhance performance: that is, a reduction in efficacy that deviates from the optimal fill. In any case, there are certain ranges in which such filling can still be tolerated and the cell characteristics can be utilized in any case.

동작 상태에서, 탄산염의 양은 점진적으로 감소하므로, 충진도는 시간에 따라 변동하게 된다. 요구되는 최소값 보다 높은 충진 수준을 유지하기 위해서는, 최적 수준보다 높은 충진 수준에서 시작하는 것이 필요하다.In the operating state, the amount of carbonate gradually decreases, so that the filling degree fluctuates with time. To maintain a fill level above the minimum required, it is necessary to start at a fill level above the optimum level.

탄산염은 비교적 높은 모세관 체류 성질을 지닌 세공에 자발적으로 분포한다.Carbonates spontaneously distribute in pores with relatively high capillary retention properties.

성분 간의 전해질 배분을 조절하기 위해서는, 전지 설계시 정확한 용적을 선택하고 이들의 체류 특성을 토대로 엄격한 순위 체계를 고려에 넣는 것이 필요하다.In order to control the distribution of electrolytes between components, it is necessary to select the correct volume in the cell design and to consider a strict ranking system based on their retention characteristics.

매트릭스는 어떠한 경우에도 충만 상태로 잔류하는 것이 필수이므로, 충진도의 전환은 배타적으로 전극을 고려해야만 한다. 음극에서의 반응은 양극에서 일어나는 반응에 비해, 최적 값에서 크게 벗어나는 충진도에 의해 덜 불이익을 받는다. 따라서, 전지 설계는 음극 상에 초기 잉여량의 전해질을 집중시킨 다음 이를 먼저 비워주는 식으로 음극을 사용하는 경향이 있다. 단일 전지의 형태는 가스의 분배 및 전류의 수송을 목적으로 하는 금속 편 사이에 배치된 3중층 "샌드위치"(음극, 전해질의 매트릭스, 양극)로 구성된다. 실제로, 용융 탄산염 연료 전지(통상적으로 "스택"이라는 용어로 표시됨)는 직렬로 전기적으로 연결되지만, 가스 주입구와는 평행한 다수의 단위 전지에 의해 구성된 모듈식 구조이다. 전지들 간의 전기적 접속은 하나의 전지의 음극 구획과 인접 전지의 양극 구획 간의 금속 분리막(전자 전도체)으로 달성된다. 전지의 각 단부에는 금속판이 존재하고; 이들은 보통 "종판(end plate)"으로 표시되며, 음극에 하나, 양극에 나머지 하나가 존재한다.Since the matrix is in any case required to remain in a full state, the conversion of filling must take into account the electrode exclusively. The reaction at the cathode is less penalized by the filling which deviates significantly from the optimum value, compared to the reaction at the anode. Thus, cell designs tend to use a negative electrode by concentrating an initial excess of electrolyte on the negative electrode and then emptying it first. The form of a single cell consists of a triple layer "sandwich" (cathode, matrix of electrolyte, anode) disposed between metal pieces for the purpose of distributing gas and transporting current. In practice, molten carbonate fuel cells (typically denoted by the term "stack") are modular structures that are electrically connected in series but constituted by a number of unit cells parallel to the gas inlet. Electrical connection between cells is achieved with a metal separator (electron conductor) between the negative compartment of one cell and the positive compartment of an adjacent cell. At each end of the cell there is a metal plate; These are usually denoted as "end plates", with one at the cathode and one at the anode.

단일 전지에 가스를 제공하기 위해서, 공통적으로 사용되는 방식은 두 가지이다: 외부 매니폴드(manifold) 및 내부 매니폴드. 외부 매니폴드의 경우에, 4개의 측면 각각은 특정의 기능을 가진다: 연료 주입구, 연료 배출구, 산화제 주입구, 산화제 배출구. 면의 제 1 및 제 2 커플은 상호 대향하여 위치한다. 통상적으로, 각 면 위에는 매니폴드가 전지 팩의 면에 대해 직접 배치된다. 내부 영역으로부 터 매니폴드로, 가스는 이들이 지정되는 부품에 직접적으로 도달한다.To provide gas to a single cell, two commonly used approaches are: external manifold and internal manifold. In the case of an external manifold, each of the four sides has a specific function: fuel inlet, fuel outlet, oxidant inlet, oxidant outlet. The first and second couple of faces are located opposite each other. Typically, on each side a manifold is placed directly relative to the side of the battery pack. From the interior region to the manifold, the gas reaches directly to the part to which they are assigned.

내부 매니폴드의 경우, 단일 전지로의 가스 주입은 전지와 전지를 구분하는 쌍극판내 복합 홈을 통해 달성된다. In the case of an internal manifold, gas injection into a single cell is achieved through a composite groove in the bipolar plate that separates the cell from the cell.

종래 기술Prior art

종래 기술은 매니폴드의 가스켓을 통한 전해질 이동의 외부 매니폴드 사용과 관련된 문제점을 여전히 안고 있다. 외부 매니폴드의 경우, 가스를 외부 환경과 분리시킨 상태로 유지하는 데 필요한 기밀성은 매니폴드와 접촉하게 되는 전지 팩 표면의 주위에 가스켓의 사용을 요한다.The prior art still suffers from problems associated with the use of an external manifold for electrolyte transfer through the gasket of the manifold. In the case of an external manifold, the airtightness necessary to keep the gas separated from the external environment requires the use of a gasket around the surface of the battery pack that is in contact with the manifold.

기술상의 이유로, 금속재 오-링의 사용은 가능하지 않다: 실질적인 해결책은 예를 들면, 유동화 수단의 부가와 함께 일반적으로 세라믹 분말의 혼합물인 티슈 또는 코크(caulk)와 같은 상이한 재료의 사용을 고려한다. 어떤 경우에든, 전해질에 투과성이고 모든 전지의 전해질과 소통되는 다공성 구조가 얻어진다. 결과적으로, 매니폴드의 가스켓은 전지들간의 전해질의 가능한 통로를 나타내므로 단일 전지는 독립적인 것으로 생각될 수 없다.For technical reasons, the use of metallic o-rings is not possible: a practical solution considers the use of different materials, such as tissues or caulks, which are generally mixtures of ceramic powder, for example with the addition of fluidization means. . In any case, a porous structure is obtained that is permeable to the electrolyte and in communication with the electrolyte of all cells. As a result, the gasket of the manifold represents the possible passage of electrolyte between the cells, so a single cell cannot be considered independent.

스택에서, 전지는 직렬상으로 전자적으로 연결된다: 결과적으로 두 단부 사이에서 스택을 따라 전위 경도(potential gradient)가 존재하게 된다. 이러한 전위 경도는 양극 말단(positive extremity) 상에 위치되는 전지로부터 음극 말단(negative extremity)에 연결된 전지로 가스켓을 통한 전해질의 알칼리 이온의 이동을 유발하고, 그에 따라 "음극측(negative)" 전지에서 CO3 2 - 이온의 "과잉 생성"과 "양극측(positive)" 전지에서 그에 상응하는 "고갈"을 수반하게 된다. 스택의 양극 말단 상에 있는 전지는 소모 메커니즘에 의해 유발되는 손실 외에도, 전해질의 손실을 보인다.In a stack, the cells are electronically connected in series: as a result there is a potential gradient along the stack between the two ends. This potential hardness causes the migration of alkali ions of the electrolyte through the gasket from the cell located on the positive extremity to the cell connected to the negative extremity, and thus in the "negative" cell. In the "excess production" and "positive" cells of the CO 3 2 - ions are accompanied by corresponding "depletion". Cells on the positive end of the stack show a loss of electrolyte in addition to the losses caused by the depletion mechanism.

가스켓 특성을 변화시킴으로써, 스택의 양극 측으로부터 음극 측으로 전달되는 전해질의 양조차도 상이하다. 이러한 성질은 스택에 함유된 전지의 수에 좌우되지 않는다: 이동은 두 말단에 있는 전지만을 수반하며 내부의 전지는 상관없다. By changing the gasket properties, even the amount of electrolyte transferred from the anode side to the cathode side of the stack is different. This property does not depend on the number of cells contained in the stack: the movement involves only the cells at both ends and the cells inside.

양극 말단에 있는 전지에 대한 결과는 항상 동일하다: 예상되었던 배출(emptying)은 성능 저하를 유발하고, 전극내 전해질 양이 불충분해지기 때문에 배출 과정이 임계 수준에 도달하면 전해질 매트릭스는 가스에 대한 이의 기밀성을 상실하고 연료와 산화제의 혼합이 전지 중으로 직접 일어나게 되어, 결과적으로 하드웨어의 급격한 열화를 수반하게 된다.The result for the cell at the positive end is always the same: the expected discharge causes a decrease in performance, and the amount of electrolyte in the electrode is insufficient, so when the discharge process reaches a critical level, the electrolyte matrix becomes a challenge to the gas. Loss of airtightness and mixing of fuel and oxidant occurs directly into the cell, resulting in a rapid deterioration of the hardware.

전지 표면, 이의 내부 구조 및 가스켓의 형태에 따라, 임계 조건에 도달하는 데 필요한 시간은 변동되지만 메커니즘의 동역학은 항상 전술한 상태를 유지한다. 음극 측에 있는 전지에 대해서는, 성능의 현저한 저하를 수반하면서 전극의 범람 위험이 있다. 따라서 이러한 메커니즘은 말단 전지의 범람 수준에 따라 더 많은 수의 전지에까지 확대된다. 더욱이, 특정한 조성물이 사용되지 않으면, 전해질 중의 알칼리 이온의 이동도는 상이하다(예를 들면, 항상 참조 조성물인, 62 mol% Li 및 38 mol% K에서 2원 공정(binary eutectic)에 대한 이온 Li+ 및 K+ 중 하나처럼).Depending on the surface of the cell, its internal structure and the shape of the gasket, the time required to reach the critical condition varies, but the dynamics of the mechanism always remain as described above. For the battery on the negative electrode side, there is a risk of flooding of the electrode with a significant drop in performance. Thus, this mechanism extends to a larger number of cells, depending on the overflow level of the end cells. Moreover, if no particular composition is used, the mobility of alkali ions in the electrolyte is different (e.g., ion Li for binary eutectic at 62 mol% Li and 38 mol% K, which are always the reference composition). Like one of + and K + ).

이러한 점은 가스켓에 의한 이동 속도를 상이하게 하므로, 음극 측에서는 전해질이 가장 이동성이 있는 이온의 더 높은 농도를 보이고(앞서 인용된 예에서 K+), 양극 측에서는 덜 이동성이 있는 이온(상기 예에서 Li+)을 보인다. 이러한 현상은 두 말단에서의 전지 성능을 더욱 변성시키고, 특별한 경우에는 작동 온도(650℃)에서 전해질의 고화를 초래할 수도 있다.This differs in the rate of movement by the gasket, so that on the cathode side the electrolyte shows a higher concentration of the most mobile ions (K + in the example cited above) and less mobile ions on the anode side (Li in the above example). + ) This phenomenon further denatures the cell performance at both ends, and in special cases may lead to solidification of the electrolyte at operating temperature (650 ° C.).

스택의 음극 측에 있는 전지의 경우, 메커니즘의 동역학이 상이한 요인, 특히 전지의 표면, 이의 내부 구조, 상이한 전지내 전해질의 조성 및 가스켓의 형태에 따라 급변하게 된다.In the case of a cell on the negative side of the stack, the kinetics of the mechanism will change rapidly depending on different factors, in particular the surface of the cell, its internal structure, the composition of the electrolyte in the cell and the shape of the gasket.

외부 매니폴드를 구비한 용융 탄산염 연료 전지에서 전해질 이동의 영향을 피하기 위하여, 종래기술에 사용되는 공지의 해결방안은 스택의 양극 측에 연결되는 일부 전지와 음극 측에 연결되는 다른 전지의 내부 구조를 분화시키는 것이다.In order to avoid the effects of electrolyte migration in molten carbonate fuel cells with an external manifold, known solutions used in the prior art have been developed to cover the internal structure of some cells connected to the positive side of the stack and other cells connected to the negative side. Differentiation.

따라서, 해결방안은 우선, 전극 내부에 전해질이 배치되도록, 스택에 대해 "내부에 존재하는" 통상의 전지내 전극 중 하나의 용적에 비해 더 큰 용적을 갖는 비교적 두꺼운 전극을 사용하고, 두 번째로는 양극 측의 전지에 더 많은 양의 전해질을 갖도록, "더 외측에 존재하는" 전지에 전해질을 상이한 로드(load)로 사용하는 것이 고려된다.Thus, the solution first uses a relatively thick electrode having a larger volume than the volume of one of the conventional in-cell electrodes “inside” to the stack, so that the electrolyte is placed inside the electrode, and secondly, It is contemplated to use the electrolyte in different loads in the cell "outside" so that the cell on the positive side has a greater amount of electrolyte.

여하튼 간에, 최상의 가스켓을 사용하더라도 이동 현상을 감안하면, 40,000 시간을 지속해야 하는 스택을 제작하기 위해서는, "더 외부에 존재하는" 전지에 통상적인 전지의 전극보다 8 내지 10배 더 두꺼워야 하는 전극을 사용하는 것이 필요 하다.Regardless, even with the best gaskets, in order to produce a stack that should last 40,000 hours, the electrode must be 8 to 10 times thicker than the electrode of a conventional cell in a “outer” cell. It is necessary to use

최적의 구조와 너무 상이한 내부 구조로는, 그러한 "저장소 전지(reservoir cell)"의 기능성이 너무 훼손되어, 특히 동작 조건이 또한 에너지를 생산하기보다는 오히려 에너지를 소비할 수 있다. 더욱이, 비-표준 성분의 존재는 제작비에 부정적인 영향을 미치게 되고; 특히 분리판을 별도로 인쇄하고 처리하는 것이 필요하다. With an internal structure that is too different from the optimal one, the functionality of such a "reservoir cell" is so impaired that, in particular, operating conditions may also consume energy rather than produce energy. Moreover, the presence of non-standard components will have a negative impact on manufacturing costs; In particular, it is necessary to print and process the separator separately.

부가적으로, 스택의 시동(start-up) 사이클에서, "저장소 전지"의 존재는 전 과정의 속도를 떨어뜨리며, 결과적으로 기술적 및 경제적으로 불리하게 된다. In addition, in the start-up cycle of the stack, the presence of a "storage cell" slows down the whole process, resulting in technical and economic disadvantages.

또 다른 접근방법은 가스켓의 특정 성질의 조절을 통해 이동 효과를 제한하는 것이다. 예를 들면, Farooque 등의 US 특허 5,110,692가 그러한 경우이다. 해결방법은 이동 과정에 관여되는 가스켓 부품에 상이한 장벽을 도입함에 있다. 이러한 장벽은 전해질 유동을 서행시킨다. 이러한 해결방안의 적용은 고비용을 수반하며 아울러 적용하기가 상당히 어렵다: 동작 과정 동안 제어하기가 매우 곤란한 부품의 이동에 의해 영향을 받는 매우 취약한 효율의 문제도 안고 있다.Another approach is to limit the effect of movement through the control of certain properties of the gasket. For example, US Pat. No. 5,110,692 to Farooque et al. Is such a case. The solution lies in introducing different barriers to the gasket components involved in the migration process. This barrier slows electrolyte flow. The application of this solution is expensive and quite difficult to apply: there is also a problem of very weak efficiency, which is affected by the movement of parts that are very difficult to control during the operation.

또 다른 접근방법은 가스켓과의 접촉이 일어나는 전지 모서리 구역내 성분의 다공성 특성을 개질시킴으로써 전지로부터 가스켓으로의 전해질 전달을 제한함에 있다. 이러한 지역에서는, 음극 및 양극 가스 간의 분리가 유지되어야 하기 때문에 "미로(labyrinth)" 구조로 편성되어야 하는 전해질의 건조 구간을 생성하는 것이 필요하다.Another approach is to limit electrolyte transfer from the cell to the gasket by modifying the porous nature of the components in the cell corner region where contact with the gasket occurs. In these areas, it is necessary to create a drying section of the electrolyte that must be organized into a "labyrinth" structure because separation between the cathode and anode gases must be maintained.

이러한 종류의 해결방법의 일례가 Raiser 등의 US 특허 4,659,635 및 Cipollini 등의 US 특허 5,478,663에 개시되어 있다. 전술한 개질은 모든 전지 및 아울러 외측 전지(즉, 이동 과정에 통상적으로 관여되는 전지)에도 반영되어야 한다. 그렇게 하지 않을 경우, 양극측 상에서, 비워질(evacuated) 첫 번째 전지는 보호된 전지 대신 비-보호된 전지가 될 것이고, 반대로 음극측에서는 범람될 첫 번째 전지는 보호된 전지 대신 비-보호된 전지가 될 것이다. 그러한 해결책들은 적용하기에는 너무 비용이 많이 드는 것으로 보인다.Examples of solutions of this kind are disclosed in US Pat. No. 4,659,635 to Raiser et al. And US Pat. No. 5,478,663 to Cipollini et al. The above modifications should be reflected in all cells as well as the outer cells (ie, cells typically involved in the migration process). Otherwise, on the positive side, the first cell to be evacuated will be a non-protected cell instead of the protected cell, whereas on the negative side the first cell to be flooded will be a non-protected cell instead of the protected cell. Will be. Such solutions appear to be too expensive to apply.

결과적으로, 앞서 언급된 모든 해결방안은 취약한 상업적 편의성 및 기술상의 비효율성을 특징으로 한다.As a result, all the solutions mentioned above are characterized by weak commercial convenience and technical inefficiency.

선행기술에 의해 제안된 또 다른 해결법은 음극에서의 전지에 의한 K2CO3의 농축을 제한하는 것에 있다. 이를 달성하는 방법은 US 특허 4,591,538에 개시되어 있다. 바이너리 전해질 Li2CO3/K2CO3에서 Li2CO3의 몰분율이 72%이면, 이온 Li+ 및 K+는 동일한 이동도를 가지며; 따라서 이동 과정을 방지하기 위하여, 70 내지 73%로 이루어지는 Li2CO3의 몰분율을 청구하고 있다.Another solution proposed by the prior art is to limit the concentration of K 2 CO 3 by the cell at the negative electrode. How to achieve this is disclosed in US Pat. No. 4,591,538. When the molar fraction of Li 2 CO 3 in the binary electrolyte Li 2 CO 3 / K 2 CO 3 is 72%, the ions Li + and K + have the same mobility; Therefore, in order to prevent the migration process, the mole fraction of Li 2 CO 3 consisting of 70 to 73% is claimed.

그러나, 이러한 해결법은 보완적인 도구의 부재하에서는 말단 전지의 건조/범람 현상에 대해 완전히 비효율적인 상태로 남게 된다.However, this solution remains completely inefficient against dry / flooding of the end cells in the absence of complementary tools.

가스 교환 및 전류 수송을 훼손함이 없이 전해질 이동을 제한하는 또 다른 방법이 Kunz의 US 특허 4,761,348에 제안되어 있다.Another method of limiting electrolyte migration without compromising gas exchange and current transport is proposed in Kunz US Pat. No. 4,761,348.

해결방법은 3 가지 요소의 조합에 있다:The solution lies in a combination of three factors:

- 측면부의 적어도 일부분이 산화제 가스에 노출되어 있고 전해질을 통해 가스켓과 소통되며 전해질에 대해 불투과성인 전도판에 의해 마지막 전지와 분리되어 있는, 스택의 음극에 있는 제 1 다공층(저장소); A first porous layer (reservoir) at the cathode of the stack, wherein at least a portion of the side surface is exposed to the oxidant gas and in communication with the gasket through the electrolyte and separated from the last cell by a conducting plate impermeable to the electrolyte;

- 측면부의 적어도 일부분이 연료 가스에 노출되어 있고 전해질을 통해 가스켓과 소통되며 전해질에 대해 불투과성인 전도판에 의해 첫 번째 전지와 분리되어 있는, 스택의 양극에 있는 제 2 다공층(저장소); A second porous layer (reservoir) at the anode of the stack, wherein at least a portion of the side portion is exposed to the fuel gas and in communication with the gasket through the electrolyte and separated from the first cell by a conducting plate impermeable to the electrolyte;

- 매니폴드와 최외곽 판의 사이에, 매니폴드와 전지 사이에 사용된 것보다 두꺼운 가스켓의 사용.The use of a gasket thicker than that used between the manifold and the cell, between the manifold and the outermost plate.

상기 특허의 명백한 한계점은 두 저장소 모두에서, 가스 접근이 저장소 자체를 형성하는 층들의 다공성을 통해서만 허용된다는 사실에 있으며, 따라서 완전한 과정의 성능이 심하게 감소된다.The obvious limitation of the patent lies in the fact that in both reservoirs, gas access is only allowed through the porosity of the layers forming the reservoir itself, so that the performance of the complete process is severely reduced.

그러한 한계점을 피하기 위한 방법이 Mitsada 등의 US 특허 5,019,464에 개시되어 있으며, 하기와 같은 조합을 기술하고 있다:A method for avoiding such limitations is disclosed in US Pat. No. 5,019,464 to Mitsada et al. And describes the following combinations:

- 양극측에서 연료 매니폴드에 노출되어 있으며, 하나 이상의 음극에 의해 구성되고 집전체/가스 분배기가 부여된 저장소, 및A reservoir exposed on the fuel manifold on the anode side, constructed by one or more cathodes and endowed with a current collector / gas distributor, and

- 음극측에서 산화제 매니폴드에 노출되어 있으며, 하나 이상의 양극에 의해 구성되고 집전체/가스 분배기가 부여된 저장소.A reservoir exposed at the cathode side to the oxidant manifold, constructed by one or more anodes and endowed with a current collector / gas distributor.

상기 특허에 의해 기재된 해결방법의 주된 한계점은 "음극" 저장소의 양극을 통해 스택 전류에 의해 생성되는 저항 손실과 관련이 있다. 일반적으로, 이러한 불이익은 상업적 적용을 위한 해당 전지 면적에 대한 이익보다 더 커진다.The main limitation of the solution described by this patent relates to the resistive losses produced by the stack current through the anode of the "cathode" reservoir. In general, this disadvantage is greater than the benefit for that cell area for commercial applications.

발명의 범위Scope of Invention

따라서, 본 발명의 범위는 종래 기술의 단점을 초래함이 없이 대면적 MCFC 스택에서 전해질 이동 과정을 제어하기 위한 편리한 방법을 모색하는 것이다.Thus, the scope of the present invention is to seek a convenient method for controlling the electrolyte migration process in large area MCFC stacks without incurring the disadvantages of the prior art.

이러한 문제점에 대한 해결책은 용융 탄산염 연료 전지(MCFCs) 스택에 외부 저장소의 약간 상이한 조합에 기초하여 전해질 유지관리 도구를 부여하는 것이지만, 이러한 방법은 전해질 이동 과정을 보상하기 위한 본질적으로 상이한 접근방법을 제공한다.The solution to this problem is to impart electrolyte maintenance tools to molten carbonate fuel cell (MCFCs) stacks based on slightly different combinations of external reservoirs, but this approach provides an essentially different approach to compensating for electrolyte transfer processes. do.

즉, 그러한 도구는 양자 모두 가스에 불투과성인 전기 전도성 재료에 의해 활동 전지로부터 분리된, 스택의 각 측면에 대해 하나씩 두 개의 저장소의 조합에 기초하지만; 이러한 혁신적인 해결방안의 주된 특징은 두 저장소 모두가 배타적으로 연료 가스 환경에 노출되고 산화제 가스에는 접근되지 않는다는 점이다.That is, such a tool is based on a combination of two reservoirs, one for each side of the stack, both separated from the active cell by an electrically conductive material that is impermeable to gas; The main feature of this innovative solution is that both reservoirs are exclusively exposed to the fuel gas environment and do not have access to oxidant gas.

좀더 구체적으로 말해서, 그러한 전해질 유지관리 도구는 하기 요소의 조합을 특징으로 한다:More specifically, such electrolyte maintenance tools are characterized by a combination of the following elements:

- 배터리의 양극측 상의 첫 번째 전지의 양극에 대해 외부에 존재하며, 전기 전도성 재질의 하나 이상의 다공층으로 구성되고 적어도 하나의 가스 분배기를 포함하는 양극 저장소 성분, 및An anode storage component external to the anode of the first cell on the anode side of the battery, consisting of at least one porous layer of electrically conductive material and comprising at least one gas distributor;

- 배터리의 음극측 상의 마지막 전지의 음극에 대해 외부에 존재하며, 전기 전도성 재질의 하나 이상의 다공층으로 구성되는 음극 저장소 성분.A negative electrode storage component present external to the negative electrode of the last cell on the negative side of the battery and consisting of one or more porous layers of electrically conductive material.

상기 저장소 둘 모두는 연료 가스 환경에 배타적으로 노출되며 산화제 가스에는 접근되지 않는다.Both reservoirs are exclusively exposed to the fuel gas environment and have no access to the oxidant gas.

가스 불투과성의 전기 전도성 재료는 스택의 양극측 상의 첫 번째 전지의 양극으로부터 양극 저장소를, 스택의 음극측 상의 마지막 전지의 음극으로부터 음극 저장소를 각각 분리시킨다. 양극 저장소 요소는 연료 가스가 존재하고 산화제 가스로부터 분리되어 있는 전지의 외측면에 의해 형성된 면들 중 적어도 하나에서 가스에 접근 가능하다. 환언하면, 예를 들어 양극 저장소가 연료 주입구 지역에 노출될 경우, 전지의 외측면에 의해 형성된 나머지 3개의 면들은 각각 A gas impermeable electrically conductive material separates the positive electrode reservoir from the positive cell of the first cell on the positive side of the stack and the negative electrode reservoir from the negative cell of the last cell on the negative side of the stack, respectively. The anode storage element is accessible to at least one of the faces formed by the outer face of the cell in which the fuel gas is present and separated from the oxidant gas. In other words, for example when the anode reservoir is exposed to the fuel inlet region, the remaining three sides formed by the outer side of the cell are each

- 스택에 공급된 산화제 가스,Oxidant gas supplied to the stack,

- 소모된 산화제 가스 배출구 지역 및-Spent oxidant gas outlet area and

- 소모된 연료 가스 배출구 지역에 노출된다.Exposed to spent fuel gas outlet area.

즉, 외부에 매니폴드를 구비한 스택에 대한 표준으로서, 각 면마다, 면의 주위에 부착된 가스켓에 의해 외부 환경과 분리되는 지역에 가스가 함유되고 가스켓의 특정 부분들은 전지 매트릭스의 일부와 접촉된다.That is, as a standard for a stack with a manifold on the outside, each face contains gas in an area separated from the outside environment by a gasket attached around the face, and certain parts of the gasket contact part of the cell matrix. do.

양극 및 음극 저장소는 또한 전해질을 통해, 전지의 매트릭스와 접촉되는 가스켓과 소통된다. 양극 저장소 및 음극 저장소의 두 다공층 모두는 Ni를 적어도 50% 포함하며; 특히, 부가적으로는, 저장소 중 하나 또는 둘 모두에서, 상기 다공층은 전지의 음극과 동일한 음극으로 구성되는 요소를 추가로 포함할 수 있다The positive and negative reservoirs are also in communication with the gasket in contact with the matrix of the cell, via the electrolyte. Both porous layers of the positive and negative reservoirs contain at least 50% Ni; In particular, additionally, in one or both of the reservoirs, the porous layer may further comprise elements consisting of the same negative electrode as the negative electrode of the cell.

다공성 가스켓은 4개의 측면 각각의 주위에 압축되며 따라서 최초의 이용 가능한 세공 용적이 현저히 감소된다. 바람직한 실시 형태에서, 양극측의 첫 번째 전지의 매트릭스를 음극측의 마지막 전지의 매트릭스와 연결하는 스트립 내측에서, 잔류 다공도의 용적은 4% 미만이다. 그러한 다공도는 이동을 위한 전해질에 이용 가능하다. 스택의 모든 전지는 음극, 전기 전도성 연료 가스 분배기, 양극, 전기 전도성 산화제 가스 분배기 및 전해질 함유 매트릭스를 포함하여 구성된다. 바람직하게는, 전지의 개수는 50개보다 많고 이들의 면적은 3500 cm2보다 크다. The porous gasket is compressed around each of the four sides so that the initial available pore volume is significantly reduced. In a preferred embodiment, inside the strip connecting the matrix of the first cell on the positive electrode side with the matrix of the last cell on the negative electrode side, the volume of residual porosity is less than 4%. Such porosity is available for electrolytes for migration. All cells in the stack consist of a cathode, an electrically conductive fuel gas distributor, an anode, an electrically conductive oxidant gas distributor, and an electrolyte containing matrix. Preferably, the number of cells is greater than 50 and their area is greater than 3500 cm 2 .

혁신적인 조합의 주된 특징은 다음과 같다:The main features of the innovative combination are:

- 연료 환경에 노출되어 있고 가스 분배기가 부여된 양극 저장소, 및 An anode reservoir exposed to the fuel environment and endowed with a gas distributor, and

- 연료 환경에 배타적으로 노출되어 있는(가스 분배기의 부여 여부와는 무관) 음극 저장소.Cathode reservoirs exclusively exposed to the fuel environment (with or without gas distributors).

양극에 인접한 전지의 건조에 대해 완전히 효과적인 이러한 조합은 스택의 음극 말단의 "마지막" 전지의 범람을 완전히 방지하는 것을 포기한다. 이의 목적은 한계 값에서의 범람을 "안정화"하고 결과적으로 타 전지로의 범람의 확대를 완전히 방지하는 것이다.This combination, which is fully effective for drying the cell adjacent to the positive electrode, gives up completely preventing the "last" cell from overflowing the negative end of the stack. Its purpose is to "stabilize" flooding at the limit values and consequently completely prevent the spread of flooding into other cells.

주요 이점은 저장소를 가로질러 완전히 무시할 만한 저항 손실이 일어난다는 점이다. 큰 표면 전지의 스택의 경우, 이러한 이점은 스택의 전체 유효기간에 있어서, 하나의 단독 전지의 본질적으로 지연된 (및 부분적인) 범람으로 발생하는 성능의 불이익보다 크다.The main advantage is that there is a negligible loss of resistance across the reservoir. For stacks of large surface cells, this advantage is greater than the performance penalty resulting from the essentially delayed (and partial) flooding of one single cell over the lifetime of the stack.

즉, 양극측에서 "첫 번째" 전지의 배출율을 감소시키는 것은 가스켓에 대한 양이온의 "공급원"으로서 양극 저장소를 경쟁력 있게 하는 데 필요하다. In other words, reducing the discharge rate of the "first" cell on the positive side is necessary to make the positive electrode reservoir competitive as a "source" of cations to the gasket.

이는 CO3 2 - 이온을 제거하기 위한 가스와의 반응이 "첫 번째" 전지 내측의 대안과 비교하여, 양극 저장소 내측에서 불이익 없이 일어날 수 있어야 함을 의미한다. 이는 두 공존 인자의 존재하에서만 가능하다:This CO 3 2 - means that the reaction of the gas and for the removal of ions as compared with the "first" alternative to the cell inside, must be able to occur without penalties inside the positive electrode storage. This is only possible in the presence of two coexistence factors:

- 연료 환경에서 동작하는 양극 저장소, 및An anode reservoir operating in a fuel environment, and

- 가스 분배기가 부여된 양극 저장소.Anode reservoir with gas distributor.

이와 대칭적으로, 음극측의 "마지막" 전지의 범람율을 증가시키는 것이 가스켓으로부터 양이온의 "집전체"로서 음극 저장소를 경쟁력 있게 하는 데 필요하다. Symmetrically, increasing the overflow rate of the "last" cell on the negative side is necessary to make the negative electrode reservoir competitive as a "current collector" of cations from the gasket.

이는 음극 저장소 내측에 CO3 2 - 이온의 형성을 촉진하는 것을 의미한다. 이러한 과정은 두 공존 인자의 존재하에서만 가능하다:This means promoting the formation of CO 3 2 - ions inside the cathode reservoir. This process is only possible in the presence of two coexistence factors:

- 양극 환경에서 동작하는 음극 저장소, 및A cathode reservoir operating in an anode environment, and

- 가스 분배기가 부여된 음극 저장소.Cathode reservoir with gas distributor.

양극 환경에서의 저항 감소는 상당히 높고, 연료 환경에서는 무시할 정도이다; 따라서, "양극" 저장소에 의해 음극 단부에서의 전지의 범람을 완전히 방지하고자 하는 노력은 저항 손실을 가져옴이 자명하다.The decrease in resistance in the anode environment is quite high and negligible in the fuel environment; Thus, it is apparent that efforts to completely prevent flooding of the cell at the negative electrode end by the "anode" reservoir result in a loss of resistance.

그 대신 "잉여(extra)-음극" 저장소(연료 환경에 배타적으로 노출된 저장소)를 통한 스택 전류의 통과에 의해 생성되는 저항 감소는 무시할 만하며 시간이 지나도 안정하다.Instead, the reduction in resistance produced by the passage of stack current through an "extra-cathode" reservoir (a reservoir exclusively exposed to the fuel environment) is negligible and stable over time.

예를 들어, 각각이 2개의 잉여 음극과 하나의 집전체/분배기에 의해 구성되는 섹션으로 분할된 양극 저장소는 각 섹션을 가로질러 1 내지 2 mV 범위 내의 저항 손실을 보인다. For example, a positive electrode reservoir divided into sections each consisting of two redundant cathodes and one current collector / divider exhibits a resistive loss in the range of 1-2 mV across each section.

증가된 수명 목표를 충족하기 위하여, 단순히 전도성 다공층의 수 및 궁극적으로는 또한 저장소 내 분배기의 수를 증가시킴으로써, 양극 저장소 내에 전해질을 저장하는 데 이용 가능한 용적을 증가시킬 수 있다. 하나의 집전체 및 관련된 다공층의 세트는 저장소의 "섹션"이다. In order to meet the increased lifespan goal, it is possible to increase the volume available for storing electrolyte in the positive electrode reservoir by simply increasing the number of conductive porous layers and ultimately also the number of distributors in the reservoir. One current collector and associated set of porous layers is the “section” of the reservoir.

상이한 섹션은 금속 시트에 의해 분리된다. 양극 저장소에 다수의 섹션을 부여함으로써, 가스켓으로의 양이온 전달은 모든 섹션에서 동일 속도로 일어난다. 즉, 섹션 간에 일어나는 그러한 낮은 전압 강하는 가장 멀리 떨어져 있는 섹션의 효능에 영향을 미칠 정도의 충분한 카운터 필드를 생성하지 않으며, 이에 따라 5 내지 10개 섹션을 갖는 양극 저장소에 대해서도, 모두가 전지 보호에 대한 필적하는 효율과 일치한다.Different sections are separated by metal sheets. By imparting multiple sections to the anode reservoir, cation transfer to the gasket occurs at the same rate in all sections. That is, such a low voltage drop between sections does not produce enough counter fields to affect the efficacy of the farthest sections, so that even for positive electrode storage with 5 to 10 sections, not all Is consistent with comparable efficiency.

가스켓을 변경함으로써, 스택의 양극측으로부터 음극측으로 특정의 시간 간격으로 전달되는 전해질의 양은 변하게 된다. 그러나, 동일한 가스켓을 사용하는 경우, 이러한 양은 전지의 개수 또는 전지의 면적에 좌우되지 않는다. 이와는 반대로, 특정 전지에 대한 이동 효과의 영향은 전지 표면에 직접 좌우된다: 소면적 전지의 경우, 단기 타임 랩(time lap)에서, 전달된 전해질 양은 이미 전지의 탄산염 함량과 상대적으로 관련되어 있다. 그 대신에, 대면적의 "상업적" 전지의 경우, 효과를 알 수 있기 위해서는 수천 시간이 필요하다.By changing the gasket, the amount of electrolyte delivered at certain time intervals from the anode side to the cathode side of the stack is varied. However, when using the same gasket, this amount does not depend on the number of cells or the area of the cells. In contrast, the effect of the migration effect on a particular cell is directly dependent on the cell surface: For small area cells, at short time laps, the amount of electrolyte delivered is already relative to the carbonate content of the cell. Instead, for large "commercial" cells, thousands of hours are needed to see the effect.

본 발명의 MCFC 장치에 의해, 전력 강하 및 파괴적인 하드웨어 퇴화를 일으키는 음극 및 양극 가스의 혼합을 초래할 수 있는, 양극에서의 전지의 예상되는 배출을 피하는 것이 가능하다. By the MCFC apparatus of the present invention, it is possible to avoid the expected discharge of the battery at the positive electrode, which can lead to the mixing of the negative electrode and the positive electrode gas causing power drop and destructive hardware degradation.

집전체/가스 분배기가 부여된 잉여 음극의 저장소로 양극 전지를 보호하면 125 kW의 스택에 대해 전체 실용 수명에 있어 전력의 0.02%에 불과한 전력 손실로 40,000시간의 동작 시간에 도달할 수 있다.Protecting the positive cell with a reservoir of surplus negative electrode, given a current collector / gas distributor, can reach 40,000 hours of operation time for a 125 kW stack with only 0.02% of power dissipation in its overall useful life.

음극에서도 잉여-음극의 저장소를 사용함으로써, 연료 환경에 배타적으로 노출됨에 따라, 동작 조건하에서, 가스켓으로부터의 Li 및 K 이온이 최종 음극 전지로 유입되는데, 그 이유는 CO3 2 -의 형성이 저장소에서보다는 전지의 양극에서 더 용이하게 일어나기 때문이다. 따라서, 최종 "음극" 전지의 범람을 활성화하는 메커니즘이 회피되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 음극 저장소는 전해질을 통해 최종 전지와 소통하고, 전지와 연료 환경에 있는 저장소 양자 모두가 동일한 전압에 있게 된다. 그러한 조건에서, 전지의 점진적인 범람과 함께, 전해질에 의한 항상 더 큰 세공의 점진적인 충진은 저장소 내의 이용 가능한 더 작은 유리 세공의 대용적 중으로 전해질의 모세관 전달을 위한 추진력을 활성화하지 않는다.By using an excess-cathode reservoir at the cathode, as well as being exclusively exposed to the fuel environment, under operating conditions, Li and K ions from the gasket enter the final cathode cell, because the formation of CO 3 2 This occurs more easily at the battery's positive electrode than at. Thus, a mechanism for activating the flooding of the final "cathode" cell is not avoided. Nevertheless, the negative reservoir communicates with the final cell through the electrolyte, and both the cell and the reservoir in the fuel environment are at the same voltage. In such conditions, with the gradual flooding of the cell, the gradual filling of always larger pores by the electrolyte does not activate the driving force for capillary delivery of the electrolyte into the large volume of smaller glass pores available in the reservoir.

이러한 과정에 의해, 최종 전지로부터 전해질의 체계적인 제거는 가장 음극측에 있는 전지의 범람 수준을 제한하는 역학적 흐름을 생성하고, 그 결과 모든 타 전지의 효과적인 "보호"가 이루어지게 된다. 보호 시간은 더 많은 양의 전해질을 수용하기 위한 더 큰 용적을 부여하도록 음극 저장소 내 잉여-전극의 개수를 변화시킴으로써 용이하게 연장시킬 수 있다. 음극 저장소에서는, 전해질이 모세관력에 의해 수집됨에 따라, 가스 분배기의 존재는 필수가 아니다.By this process, the systematic removal of the electrolyte from the final cell creates a mechanical flow that limits the flooding level of the cell at the most negative side, resulting in effective "protection" of all other cells. The protection time can be easily extended by varying the number of surplus-electrodes in the negative electrode reservoir to impart a larger volume to accommodate higher amounts of electrolyte. In the negative electrode reservoir, as the electrolyte is collected by capillary forces, the presence of a gas distributor is not essential.

저항 손실은 스택의 전 유효기간에서 진행되며 저장소 크기에 비례하여 증가한다. 그 대신에, 범람에 의해 유발되는 분극 손실은 범람이 시작된 후에만 진행된다. 대면적 전지의 경우, 최음극측 전지에서도 적어도 약 10,000시간 동안은 범람이 발생하지 않는다. 제안된 해결방법에 따라, 저장소 크기를 증가시켜도 저항 손실은 무시할 정도이며; 오직 하나의 전지만이 범람으로 인한 분극 손실에 의해 영향을 받으며, 더욱이 이러한 범람은 불완전한 상태로 남게 되고, 일단 역치에 도달하면, 음극 저장소의 보호 메커니즘이 활성화된다.Resistor losses run through the lifetime of the stack and increase in proportion to the reservoir size. Instead, the polarization loss caused by flooding proceeds only after the flooding begins. In the case of large-area cells, no overflow occurs for at least about 10,000 hours even in the anode side battery. According to the proposed solution, the resistance loss is negligible even with increasing the reservoir size; Only one cell is affected by the loss of polarization due to flooding, and moreover this flooding remains incomplete and once the threshold is reached, the protection mechanism of the negative electrode reservoir is activated.

따라서, 잉여 음극의 사용은 어떠한 경우에도 기술적으로나 경제적으로 편리한 해결책이 된다; 또한, 잉여 음극의 사용은 스택의 전 동작시간 동안 절대적으로 무관한 정도의 전력 손실에 이르게 한다. Thus, the use of redundant cathodes is a technically and economically convenient solution in any case; In addition, the use of redundant cathodes leads to an absolutely unrelated amount of power loss during the entire operating time of the stack.

본 발명의 하기 실시예는 단지 설명을 위해 예시될 뿐, 일반적인 본 발명의 사상에 대한 어떠한 제한으로도 해석되지 않아야 한다.The following examples of the present invention are illustrated for illustrative purposes only and should not be construed as limiting the general inventive idea.

도 1은 본 발명에 개시되는 성분의 개요도이다.1 is a schematic diagram of components disclosed in the present invention.

도 2는 스택의 양극측에서의 저장소의 가능한 실시형태를 도시한다. 저장소는 양극판(13)과 양극측 첫 번째 전지의 양극 사이에 위치되며, 여기에서 전지는 스택내 전지를 분리하는 데 사용된 판과 동일한 유형의 분리판(14)에 의해 분리된 다. 또한, 첫 번째 전지의 집전체/가스 분배기(15), 양극(16) 및 매트릭스(18)가 도시되어 있다.2 shows a possible embodiment of the reservoir on the anode side of the stack. The reservoir is located between the positive plate 13 and the positive side of the positive side first cell, where the cells are separated by a separator 14 of the same type as the plate used to separate the cells in the stack. Also shown is the current collector / gas distributor 15, the positive electrode 16 and the matrix 18 of the first cell.

상기 예에서, 양극 저장소는 두 개의 섹션으로 세분되며, 각각의 섹션은 두 잉여-음극(11)과 집전체/가스 분배기(12)로 구성되어 있다. 두 섹션은 단극판(17)에 의해 분리되어 있다. 저장소내 섹션이 두 개 이상이면, 모든 내부 섹션은 도면부호 17과 유사한 단극판에 의해 분리된다. 양극 가스와의 분리는 전해질로 충진된 매트릭스 스트립(19)을 통해 성취될 수 있다.In this example, the anode reservoir is subdivided into two sections, each section consisting of two surplus-cathodes 11 and a current collector / gas distributor 12. The two sections are separated by a monopolar plate 17. If there are two or more sections in the reservoir, all the inner sections are separated by a monopolar plate similar to 17. Separation with the anode gas can be achieved through the matrix strip 19 filled with electrolyte.

도 2와 유사하게, 도 3은 스택의 음극측에서의 저장소의 가능한 실시형태를 도시한다. 이러한 저장소는 말단 음극판(23)과 음극측 마지막 전지의 음극 사이에 삽입되며, 여기에서 전지는 분리판(24)에 의해 분리되어 있다. 또한, 스택의 마지막 전지의 집전체/가스 분배기(25), 음극(26) 및 매트릭스(28)가 도시되어 있다.Similar to FIG. 2, FIG. 3 shows a possible embodiment of a reservoir on the cathode side of the stack. This reservoir is inserted between the terminal negative electrode plate 23 and the negative electrode of the negative electrode last cell, where the cells are separated by a separator plate 24. Also shown is the current collector / gas distributor 25, negative electrode 26 and matrix 28 of the last cell in the stack.

상기 예에서, 양극 저장소는 두 개의 섹션으로 세분되며, 각각의 섹션은 두 잉여-음극(21)과 집전체/가스 분배기(22)로 구성되어 있다. 두 섹션은 단극판(24)에 의해 분리되어 있다. 양극 가스와의 분리는 전해질로 충진된 매트릭스 스트립(29)을 통해 성취될 수 있다.In this example, the anode reservoir is subdivided into two sections, each section consisting of two surplus-cathodes 21 and a current collector / gas distributor 22. The two sections are separated by a monopolar plate 24. Separation with the anode gas can be achieved through the matrix strip 29 filled with electrolyte.

저장소내 섹션이 두 개 이상이면, 내부 섹션은 도면부호 24와 유사한 단극판에 의해 분리된다. If there are two or more sections in the reservoir, the inner sections are separated by a monopolar plate similar to 24.

이러한 저장소에서, 집전체/가스 분배기는 생략될 수 있다.In such a reservoir, the current collector / gas distributor can be omitted.

Claims (15)

가스에 불투과성인 전기 전도성 재료에 의해 분리된 복수개의 전지를 포함하는 용융 탄산염 연료 전지 스택에 있어서, 하기 요소:A molten carbonate fuel cell stack comprising a plurality of cells separated by an electrically conductive material impermeable to gas, comprising: - 스택의 양극측 상에서 첫 번째 전지의 양극에 대해 외부에 존재하며, 전기 전도성 재질의 하나 이상의 다공층으로 구성되고 적어도 하나의 가스 분배기를 포함하는 양극 저장소 성분과,An anode reservoir component external to the anode of the first cell on the anode side of the stack, consisting of at least one porous layer of electrically conductive material and comprising at least one gas distributor; - 스택의 음극측 상에서 마지막 전지의 음극에 대해 외부에 존재하며, 전기 전도성 재질의 하나 이상의 다공층으로 구성되는 음극 저장소 성분의 조합을 특징으로 하고, 상기 저장소 둘 모두는 연료 가스 환경에 배타적으로 노출된 채로 사용되며 산화제 가스에는 접근 불가능한 저장소인 용융 탄산염 연료 전지 스택.Characterized by a combination of negative electrode components, which are external to the negative electrode of the last cell on the negative side of the stack and consist of one or more porous layers of electrically conductive material, both of which are exclusively exposed to the fuel gas environment. A molten carbonate fuel cell stack that is used intact and is a reservoir inaccessible to oxidant gas. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 양극 저장소는 가스에 불투과성인 전기 전도성 재료에 의해 스택의 양극측 상의 첫 번째 전지의 양극과 분리되는 것을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료 전지 스택.And wherein the anode reservoir is separated from the anode of the first cell on the anode side of the stack by an electrically conductive material that is impermeable to the gas. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 음극 저장소는 가스에 불투과성인 전기 전도성 재료에 의해 스택의 음극측 상의 마지막 전지의 음극과 분리되는 것을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료 전지 스택.And wherein the cathode reservoir is separated from the cathode of the last cell on the cathode side of the stack by an electrically conductive material that is impermeable to the gas. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 양극 저장소 요소는 연료 가스가 존재하고 산화제 가스와 분리되어 있는 전지의 외측면에 의해 형성된 면들 중 적어도 하나에서 가스에 접근 가능하게 사용되는 것을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료 전지 스택.And wherein the anode storage element is used to access the gas at at least one of the surfaces formed by the outer surface of the cell in which the fuel gas is present and separated from the oxidant gas. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 4, 상기 양극 및 음극 저장소는 전해질을 통해, 전지의 매트릭스와 접촉 상태로 있는 가스켓과 소통 상태로 사용되는 것을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료 전지 스택.And the anode and cathode reservoirs are used in communication with a gasket in contact with a matrix of the cell through an electrolyte. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 양극 및 음극 저장소는 연료 주입구 측에서 연료 가스에 접근 가능한 상태로 사용되고, 반면에 전지의 외측면에 의해 형성된 나머지 3개의 면들은 각각 The anode and cathode reservoirs are used with fuel gas accessible at the fuel inlet side, while the remaining three sides formed by the outer side of the cell are each - 스택에 공급된 산화제 가스,Oxidant gas supplied to the stack, - 소모된 산화제 가스 배출구 지역, 및Consumed oxidant gas outlet area, and - 소모된 연료 가스 배출구 지역에 노출된 상태로 사용되는 것을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료 전지 스택.A molten carbonate fuel cell stack, wherein the molten carbonate fuel cell stack is used exposed to the spent fuel gas outlet area. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 양극 및 음극 저장소는 소모된 연료 배출구 측에서 연료 가스에 접근 가능한 상태로 사용되고, 반면에 전지의 외측면에 의해 형성된 나머지 3개의 면들은 각각 The anode and cathode reservoirs are used with access to fuel gas at the spent fuel outlet side, while the remaining three sides formed by the outer side of the cell are each - 스택에 공급된 산화제 가스,Oxidant gas supplied to the stack, - 소모된 산화제 가스 배출구 지역, 및Consumed oxidant gas outlet area, and - 스택에 공급된 연료 가스에 노출된 상태로 사용되는 것을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료 전지 스택.A molten carbonate fuel cell stack, wherein the molten carbonate fuel cell stack is used exposed to fuel gas supplied to the stack. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,The method according to claim 6 or 7, 가스켓이 면의 주위에 부착되고, 상기 가스켓의 일부는 전지 매트릭스의 일부와 접촉되며, 사용시 전지 스택의 모든 면에서, 가스는 외부 환경과 분리되는 지역에 함유되는 것을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료 전지 스택.A molten carbonate fuel cell stack, wherein a gasket is attached around the face, a portion of the gasket is in contact with a portion of the cell matrix, and in use on all sides of the cell stack, the gas is contained in an area separate from the external environment. . 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 8, 스택의 모든 전지는 음극, 전기 전도성 연료 가스 분배기, 양극, 전기 전도성 산화제 가스 분배기 및 전해질 함유 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료 전지 스택.And wherein all of the cells in the stack include a cathode, an electrically conductive fuel gas distributor, an anode, an electrically conductive oxidant gas distributor, and an electrolyte containing matrix. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 9, 면들의 주위에 압축된 다공성 가스켓에서, 양극측의 첫 번째 전지의 매트릭스를 음극측의 마지막 전지의 매트릭스와 연결하는 부분이 4% 미만인 가스켓내 잔류 다공도의 용적을 갖는 것을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료 전지 스택.In a porous gasket compressed around the sides, the molten carbonate fuel cell characterized in that the portion connecting the matrix of the first cell on the anode side with the matrix of the last cell on the cathode side has a volume of residual porosity in the gasket that is less than 4%. stack. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 10, 상기 양극 저장소 및 음극 저장소의 다공층은 Ni를 적어도 50% 포함하는 것을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료 전지 스택.And wherein the porous layers of the anode and cathode reservoirs comprise at least 50% Ni. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 10, 상기 양극 저장소 및 음극 저장소의 다공층에서, 적어도 50 wt%가 Cu 또는 Ni+Cu인 것을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료 전지 스택.At least 50 wt% of Cu or Ni + Cu in the porous layer of the positive and negative reservoirs is molten carbonate fuel cell stack. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 음극 저장소의 다공층이 전지의 것과 동일한 음극으로 구성되는 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료 전지 스택.A molten carbonate fuel cell stack, wherein the porous layer of the negative electrode reservoir comprises an element comprised of the same negative electrode as that of the cell. 제 13 항에 있어서,The method of claim 13, 상기 음극 저장소의 다공층이 전지의 것과 동일한 음극으로 구성되는 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료 전지 스택.A molten carbonate fuel cell stack, wherein the porous layer of the negative electrode reservoir comprises an element comprised of the same negative electrode as that of the cell. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 14, 전지의 개수는 50개보다 많고 전지의 면적은 3500 cm2보다 큰 것을 특징으로 하는 용융 탄산염 연료 전지 스택.A molten carbonate fuel cell stack, wherein the number of cells is greater than 50 and the area of the cells is greater than 3500 cm 2 .
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