KR20070044766A - 고체 산화물 연료 전지 - Google Patents

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KR20070044766A
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샬레쉬 비제이 팟니스
티모씨 조셉 레그
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

고체 산화물 연료 전지(10)는 매니폴드(12)와, 판과, 캐소드 전극과, 연료 전지(18)와, 애노드 전극을 포함한다. 상기 매니폴드는 공기 또는 산소를 방사방향이나 내측으로 유동시키도록 조합되어 캐소드 유동장의 중앙에 수용하기 위하여, 전지의 외주 위에서 분기 경로와 연결되는 공기 또는 산소 입구(24)를 포함한다. 상기 캐소드 유동장은 일반적으로 방사외향 방향으로 연료 전지를 냉각시키는 원형의 냉각 경로를 제공하는 상호연결부(40)를 포함하며, 상기 상호연결부는 양호한 냉각을 위하여 열전도율이 상이한 물질로 형성된다.
연료 전지, 산화제, 매니폴드, 캐소드, 애노드, 탄화수소, 전극, 크래킹, 적층부, 전해질층, 모듈, 리브, 열전도율, 온도구배, 유동장

Description

고체 산화물 연료 전지{SOFC SEAL AND CELL THERMAL MANAGEMENT}
도 1은 본 발명의 여러 특징을 도시하는 고체 산화물 연료 전지의 확대 사시도.
도 2는 캐소드 유동장내로의 산화제 흐름을 도시하는 매니폴드의 개략적인 확대 사시도.
도 3은 도 4에 도시된 적층된 고체 산화물 연료 전지의 단일 전지를 도시하는 부분 단면을 갖는 사시도.
도 4는 일련의 적층된 연료 전지의 확대 사시도.
도 5는 인접한 전지에 연료 및 산화제를 공급하기 위한 매니폴드의 확대 사시도.
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
12: 매니폴드 14: 캐소드 유동장
16: 판 18: 연료 전지
20: 애노드 유동장 22: 통로
24: 입구 28: 매니폴드
34: 출구 36: 중앙부
40: 상호연결부 46: 개구
50: 리브
본 발명은 고체 산화물 연료 전지에 관한 것으로서, 특히 열전달을 관리하고 균일한 전지 온도를 형성하는 캐소드 유동장에서 상이한 물질로 형성된 상호연결부와 밀봉부 및 전지를 통해 전지 온도편차를 낮게 유지하기 위해, 밀봉부가 양호하게 냉각되는 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지는 수소 또는 탄화수소 연료가 공기 또는 산소와 전자화학적으로 반응하여 전기와 열 및 물을 생성하는 전자화학적 장치이다. 연료 전지는 전형적으로 산화제를 흐르게 하는 캐소드 유동장과, 수소나 탄화수소를 흐르게 하는 애노드 유동장과, 상기 캐소드 유동장과 애노드 유동장 사이에서 전형적으로 경질의 세라믹 전해질로 형성된 전지를 포함한다. 산소 이온은 수소나 기타 다른 탄화수소 연료가 연료 전극(즉, 애노드)을 통과할 때, 산화제 전극(즉, 캐소드)에서 형성되며; 상기 산소 이온은 연료를 산화시키기 위해 상기 경질의 세라믹 전해질을 통해 유입되어, 전자를 방출하면서 산소를 물로, 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시킨다. 전자는 외부 회로를 통해 이동하여 전기를 생성한다. 그러나, 상기 밀봉부를 횡단하는 높은 온도구배 및 높은 밀봉부 온도는 연료의 누설, 애노드의 산화 및 성 능의 열화를 초래할 수 있다. 밀봉부를 냉각하여 균일한 저온을 유지함으로써, 이러한 문제점들을 제거할 수는 있다. 또한, 전지를 횡단하는 높은 온도구배는 높은 열응력을 유발시켜 전지의 크래킹(cracking)을 초래하고 또한 적층부(stack)의 내구성을 감소시킬 수도 있다. 산화제 유동 경로를 형성하는 캐소드 유동장의 리브 등과 같은 상호연결부와 전지 사이의 개선된 열전달 연통은 열구배를 감소시키고 전지 크래킹을 방지한다. 따라서, 전지를 횡단하는 열구배의 관리와 밀봉부의 개선이 지속적으로 요망되고 있다.
본 발명의 양호한 실시예에서는 고체 산화물 연료 전지가 제공되는데, 이러한 고체 산화물 연료 전지는 매니폴드와, 캐소드 유동장과, 애노드 전극 및 캐소드 전극을 대향 측부 상에 포함하는, 전지를 형성하는 전해질층과, 애노드 유동장과, 애노드 유동장 밀폐부재의 층상 어레이를 포함하며; 상기 캐소드 유동장은 캐소드 유동장 입구와 연통하는 다수의 산화제 흐름 경로와 중앙의 산화제 흐름 입구를 포함하며; 상기 매니폴드는 상기 캐소드 유동장의 산화제 흐름 입구와 연통하는 산화제 출구와 산화제 입구를 포함하며; 상기 매드폴드와 캐소드 유동장과 전지는 고체 산화물 연료 전지의 외주 주위에 밀봉부를 가지며; 상기 매니폴드는 캐소드 산화제 흐름을 밀봉부 주위로 양호하게 지향시켜 밀봉부를 냉각시키기 위하여, 상기 매니폴드 출구와 연통하고 전지 외주 주위에서 상기 매니폴드 산화제 입구로부터 연장되는 통로를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 양호한 다른 특징에 따르면, 고체 산화물 연료 전지가 제공되는데, 이러한 고체 산화물 연료 전지는 매니폴드와, 캐소드 유동장과, 애노드 및 캐소드를 포함하는, 전지를 형성하는 전해질층과, 애노드 유동장과, 애노드 유동장 밀폐부재의 층상 어레이를 포함하며; 상기 캐소드 유동장은 캐소드 유동장 입구와 연결되고 상기 캐소드 유동장의 외주에 인접하여 각각의 출구에서 종료되는 다수의 산화제 흐름 경로와 산화제 흐름 입구를 포함하며; 상기 매니폴드는 캐소드 유동장의 산화제 흐름 입구와 연통하는 산화제 출구와 산화제 입구를 포함하며; 상기 매니폴드와 캐소드 유동장과 전지는 고체 산화물 연료 전지의 외주 주위에 밀봉부를 가지며; 상기 매니폴드 산화제 입구는 사전 설정된 외주 위치에 인접하여 배치되고; 통로는 매니폴드 출구와 연통하는 매니폴드 산화제 입구와 대향하는 위치에서 종료되는 매니폴드 외주 주위에서 대향방향으로 매니폴드 산화제 입구로부터 연장되며; 상기 통로는 밀봉부를 냉각시키기 위해 밀봉부에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 양호한 또 다른 실시예에 따르면, 서로 대항하여 배열된 다수의 연료 전지 모듈을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 모듈의 어레이가 제공되며; 상기 각각의 모듈은 매니폴드와, 캐소드 유동장과, 애노드 전극 및 캐소드 전극을 대향 측부 상에 포함하는, 연료 전지를 형성하는 전해질층과, 애노드 유동장을 포함하며; 각각의 모듈의 캐소드 유동장은 전지의 캐소드 유동장 입구와 연통하는 다수의 산화제 흐름 경로와 중앙의 산화제 흐름 입구를 포함하며; 상기 각각의 모듈의 매니폴드는 캐소드 유동장의 산화제 흐름 입구와 연통하는 산화제 출구와 산화제 입구포트를 포함하며; 한쪽 매니폴드의 캐소드 유동장과 인접한 모듈의 애노드 유동장 사이의 각각의 매니폴드는 연료를 인접한 모듈의 애노드 유동장으로 흐르게 하기 위해 연료 입구 및 연료 출구를 갖는 것을 특징으로 한다.
도 1 및 도 3에는 고체 산화물 연료 전지 모듈(10)이 도시되어 있으며; 이러한 연료 전지 모듈은 매니폴드(12)와, 캐소드 유동장(14)과, 상기 매니폴드(12)와 캐소드 유동장(14) 사이에 배치된 판(16)과, 연료 전지(18)와, 애노드 유동장(20)을 포함한다. 적층된 고체 산화물 연료 전지의 구성이 도 4에 도시되어 있으며, 연료 전지 모듈(10)은 서로에 대해 적층되며, 하나의 매니폴드는 인접한 연료 전지의 애노드 유동장을 위한 폐쇄부재를 형성한다. 매니폴드(12)와 판(16)과 캐소드 유동장(14)과 전지(18)와 애노드 유동장(20)을 포함하는 각각의 연료 전지는, 여러 입구 및 출구를 제외하고는 종래와 마찬가지로 또는 하기에 서술되는 바와 같이 서로 외주가 밀봉된다는 것을 인식해야 한다.
도 2에 있어서, 매니폴드(12)는 공기 또는 산소 흐름의 방향 및 위치를 도시하기 위하여 개략적으로 도시되었다. 상기 매니폴드(12)는 매니폴드(12)의 마진 주위에 외주의 공기 또는 산소 경로를 포함한다. 특히, 매니폴드(12)는 하나로부터 다른 하나로 분기되고 또한 입구(24)로부터 분기되어 연료 전지의 외주에서 대향 방향으로 연장되는 통로(22)에 공기를 공급하기 위하여, 공기 또는 산소 입구(24)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 원형이므 로, 입구(24)로부터의 공기 또는 산소는 공기 또는 산소 입구(24)에 대향하는 위치에 약 180°로 외주 주위를 통과하여 대향 방향으로 분기된다. 상기 통로(22)는 교차되어, 매니폴드(12)의 중앙에서 서브 매니폴드(28)내로 연장되는 방사방향 경로(26)와 연통한다. 상기 서브 매니폴드(28)는 화살표(30)로 도시된 바와 같이 공기 또는 산소를 캐소드 유동장(14)의 중앙으로 지향시키는 중앙 개구를 포함한다.
도 1 및 도 2에 있어서, 캐소드 유동장(14)은 이격된 원주방향 위치에서 다수의 출구(34)를 갖는 외주(32)를 포함한다. 상기 출구(34)는 다수의 통로(38)에 의해 캐소드 유동장(14)의 중앙부(36)와 연통하고 있다. 도시된 실시예에서, 경로(38)는 공기나 산소 흐름이 출구(34)를 향해 방사외측으로 지향될 때, 공기나 산소를 대향의 원주방향 위치로 흐르게 하기 위해 일반적으로 지그재그 패턴으로 형성된다. 따라서, 상기 경로(38)는 우회로이며, 상호연결부(40)에 의해 형성된다. 이러한 실시예에서 상호연결부(40)는 일반적으로 방사방향으로 연장되는 상호연결부(42)와, 원주방향으로 연장되는 상호연결부(44)를 포함하므로, 중앙부(36)로부터 출구(34)까지 기본적으로 다수의 원주방향으로 이격된, 뒤집어진 크리스마스 트리 배치를 형성한다. 공기나 산소를 흐르게 하기 위한 또 다른 형태의 우회 경로가 제공될 수도 있음을 인식해야 한다. 도 1에 있어서, 판(16)은 매니폴드(12)와 캐소드 유동장(14) 사이에 배치된다. 상기 판(16)은 서브 매니폴드(28)로부터 개구(46)를 통해 캐소드 유동장(14)의 중앙부(36)내로, 또한 우회적으로 원주방향 및 방사방향으로 출구(34)를 향해 공기나 산소를 흐르게 할 수 있는 중앙 개구(46)를 포함한다. 연료 전지(18)의 한쪽은 경로(34)내에 공기나 산소를 한정시키며, 상기 판(16)은 경로(34)의 대향측을 따라 공기나 산소를 한정시킨다. 전지를 완성하기 위하여, 애노드 유동장(20)은 외주 주위에서 연료 전지(18)에 밀봉된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 애노드 유동장은 수소 또는 탄화수소 연료를 흐르게 하기 위한 다양한 경로를 포함한다.
상술한 바에 따르면, 매니폴드(12)에 유입되는 공기 또는 산소 흐름은 외주 밀봉부 주위로 지향되고, 냉각을 제공하기 위해 연료 전지의 외주 주위로 지향된다. 그후, 공기 또는 산소는 매니폴드(12)의 중앙에 있는 구멍과 판(16)을 통과하는 구멍(46)을 통해, 캐소드 유동장으로 지향된다. 도시된 단일 입구의 배치에 있어서, 공기 또는 산소는 밀봉부 외주 근처에서 분기된 후, 중앙부 즉 캐소드 유동장의 서브 매니폴드(28)내로 흐르기 위해 방사방향 내측으로 흐르며; 보조 전력을 감소시키는 최소한의 압력강하가 발생되어, 효율이 증가된다. 또한, 밀봉부 위로의 공기 흐름은 온도 편차를 상당히 감소시키므로써, 전지 수명과 성능을 개선시킨다.
캐소드 유동장(14)의 리브 등과 같은 상호연결부(40)는 열흐름을 제어하기 위해 열전도율이 상이한 물질로 형성될 수 있음을 인식해야 한다. 예를 들어, 방사방향 외측으로 연장되며 도 2의 캐소드 유동장(14)에 도시된 처음 2개의 원주방향으로 연장되는 최내측 리브(48)는 스테인리스강 물질로 형성될 수도 있다. 상기 크리스마스 트리 형태의 2개의 원주방향으로 연장되는 최외측 리브(50)는 세라믹으로 형성된다. 스테인리스강과 세라믹 물질은 열전도율이 상이하기 때문에, 열전달이 제어되어 균일한 전지 온도를 생성할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 매니폴드로의 공기 또는 산소 입구에 인접한 하나 또는 두개의 리브(40)는 세라믹 물질로 형성되는 반면에, 나머지 리브(40)는 금속 물질로 형성된다. 이것은 입구 영역에서 밀봉부과 전지 사이의 온도 구배를 감소시켜, 전지 크래킹을 방지한다. 즉, 상기 위치에 세라믹 물질의 상호연결부를 형성하므로써, 매니폴드로의 입구에서 냉각점(cold spot)이 전지로 전달되어 효과적으로 제거되므로써, 전지에 대한 온도구배를 최소화시킨다. 이것은 응력 크래킹을 해제하게 된다. 금속 물질로 형성된 나머지 상호연결부는 열을 전지로부터 멀리 이송하는데 도움을 준다.
도 4에는 연료 전지 모듈(10)의 적층된 배열을 도시하고 있다. 모듈의 대향측에는 전류 수집기 판(54, 56)이 도시되어 있다. 상기 모듈은 전기 절연부, 전력 스트립, 터미널, 연료를 위한 배관, 연료 전지를 생성하는 전기를 제공하기 위한 기타 다른 부품, 기타 종래의 모든 부품 등과 같은 여러 부품이 내장된 연료 전지 하우징의 일부를 형성한다는 것을 인식해야 한다.
도 5에 도시된 양호한 매니폴드(12)는 복합층을 갖고 있으며; 이러한 복합층은 상부층(60)과, 2개의 중간층(62, 64)과, 하부층(16)을 포함한다. 연료 전지 모듈의 적층된 배열에 있어서, 복합층을 포함하는 매니폴드(12)는 연료 전지의 캐소드 유동장(14)과 차후에 인접하여 있는 연료 전지의 애노드 유동장(20) 사이에 놓인다. 예를 들어, 판(16)은 한쪽 연료 전지의 캐소드 유동장(14) 위에 놓이며, 층(60)은 인접한 연료 전지의 애노드 유동장의 하부에 놓인다. 상기 중간층(62, 64)은 산소나 공기를 개구(46)를 통해 캐소드 유동장(14)내로 흐르게 하기 위해, 또한 연료를 대향방향으로 층(60)의 개구(66)를 통해 인접한 애노드 유동장으로 흐르게 하기 위해, 방사방향 및 원주방향으로 연장되는 다양한 리브를 포함한다. 예를 들어, 층(62, 64)이 층(60, 16) 사이에 고정될 때, 층(62, 64)의 방사방향으로 연장되는 리브(70, 72)는 서로에 대해 원주방향으로 엇갈린 형태로 되며, 원주방향 리브는 서로 정합한다. 이러한 방식에 따라, 공기 또는 산소는 공기 또는 산소 입구포트(74)를 통해 흐르고, 원주방향 밀봉부의 양호한 냉각을 위하여 대향의 원주방향으로 분기되며, 개구(46)를 통해 캐소드 유동장내로 흐르기 위해 층의 중앙을 향해 흐른다. 연료는 층(62, 64)에서 정합 경로(82, 84)에 의해 형성된 매니폴드(12)의 외주에 인접한 연료 입구(80)로 유입된다. 상기 연료는 연료 출구 또는 구멍(66)을 통해 인접한 연료 전지 모듈의 애노드 유동장내로 흐르기 위해 매니폴드(12)의 중앙을 향해 흐른다. 따라서, 중간층의 리브형 배열과 구멍(46, 66)의 위치에 의해, 공기 또는 산소는 입구포트(74)로부터 개구(46)를 통해 인접한 캐소드 유동장내로 흐를 수 있으며, 전지와 연료를 외주방향으로 양호하게 냉각시켜 입구포트(80)로부터 구멍(66)을 통해 인접한 애노드 유동장내로 흐르게 된다.
본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다.
본 발명은 열전달을 관리하고 균일한 전지 온도를 형성하는 캐소드 유동장에 서 상이한 물질로 형성된 상호연결부와 밀봉부 및 전지를 통해 전지 온도편차를 낮게 유지하기 위해, 밀봉부가 양호하게 냉각되는 연료 전지를 제공하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (10)

  1. 매니폴드(12)와, 캐소드 유동장(14)과, 애노드 전극 및 캐소드 전극을 대향 측부 상에 포함하는, 전지(18)를 형성하는 전해질층과, 애노드 유동장(20)과, 애노드 유동장 밀폐부재(12)의 층상 어레이를 포함하며,
    상기 캐소드 유동장(14)은 캐소드 유동장 입구와 연통하는 다수의 산화제 흐름 경로(38)와 중앙의 산화제 흐름 입구(30)를 포함하며;
    상기 매니폴드(12)는 상기 캐소드 유동장의 산화제 흐름 입구와 연통하는 산화제 출구(28)와 산화제 입구(24)를 포함하며;
    상기 매드폴드(12)와 캐소드 유동장(14)과 전지(18)는 고체 산화물 연료 전지의 외주 주위에 밀봉부를 가지며; 상기 매니폴드는 캐소드 산화제 흐름을 밀봉부 주위로 양호하게 지향시켜 밀봉부를 냉각시키기 위하여, 상기 매니폴드 출구와 연통하고 전지 외주 주위에서 상기 매니폴드 산화제 입구로부터 연장되는 통로(22)를 갖는 것을 특징으로 하는
    고체 산화물 연료 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화제 유동 경로(38)는 캐소드 유동장의 외주에 인접한 각각의 출구에서 종료되는 것을 특징으로 하는
    고체 산화물 연료 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 캐소드 유동장 경로(38)는 캐소드 유동장으로의 산화제 흐름 입구와 관련의 캐소드 유동장 출구 사이에서 대체로 지그재그형 형태를 갖는 것을 특징으로 하는
    고체 산화물 연료 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드 유동장 경로(38)는 서로에 대해 대향 방향으로 산화제를 흐르게 하는 세그먼트(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    고체 산화물 연료 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    산화제를 한쪽 방향으로 흐르게 하기 위한 상기 세그먼트중 하나는 산화제를 대향방향으로 흐르게 하기 위한 다른 세그먼트보다 캐소드 유동장 산화제 입구로부터 더 멀리 이격되는 것을 특징으로 하는
    고체 산화물 연료 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드 유동장 경로는 서로에 대해 대향의 원형 방향으로 세그먼트에서 의 산화제 흐름을 가능하게 하는 동심의 원형 세그먼트(40)로 연장되는 것을 특징으로 하는
    고체 산화물 연료 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 캐소드 유동장은 원형 형태를 갖는 것을 특징으로 하는
    고체 산화물 연료 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드 유동장은 상기 흐름 경로를 부분적으로 형성하는 상호연결부(40)를 포함하며, 상기 상호연결부는 상이한 열전도율을 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는
    고체 산화물 연료 전지.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 매니폴드 산화제 입구에 인접한 상기 상호연결부는 상기 캐소드 유동장의 다른 상호연결부 보다 낮은 열전도율을 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는
    고체 산화물 연료 전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 매니폴드 산화제 입구에 인접한 상기 상호연결부(40)는 세라믹 물질로 형성되고, 다른 상호연결부는 금속 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는
    고체 산화물 연료 전지.
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