KR20100048553A

KR20100048553A - 고온용 연료전지 분리판

Info

Publication number: KR20100048553A
Application number: KR1020080107769A
Authority: KR
Inventors: 김도형; 김범주; 이정현; 강승원; 임희천; 정병수
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2010-05-11
Also published as: US20100112413A1; KR101081100B1; JP5166387B2; US7989120B2; JP2010108933A

Abstract

본 발명은 고온용 연료전지 분리판에 관한 것으로서, 수소가 포함된 연료 가스 유로와, 시스템의 산소/질소 분리기에서 공급되어 전기화학반응에 참여하는 산소 성분이 주로 포함된 산화제 가스 유로와, 연료전지의 발전 시 발생하는 열을 제거하기 위한 질소 성분이 포함된 냉각 가스 유로를 포함하여 구성함으로써, 산소 분압의 증가로 인해 연료전지 스택의 성능 향상을 통한 전체적인 연료전지 시스템 효율의 향상을 도모하고, 질소 성분을 포함한 냉각 가스의 흐름에 의해 연료전지 발전 시에 발생하는 열에 의한 고온부 발생을 억제하여 연료전지 스택의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 고온용 연료전지 분리판에 관한 것이다.

연료전지, 분리판, 연료극, 공기극, 마스크 판, 집전체, 주름판, 지지대

Description

고온용 연료전지 분리판{Seperator for high temperature fuel cells}

본 발명은 고온용 연료전지 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템의 산소/질소 분리기로부터 공급되는 각각의 산소 성분 및 질소 성분을 효율적으로 활용하여 스택의 성능을 극대화함은 물론, 고온부의 형성을 억제하여 스택의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 고온용 연료전지 분리판에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지는 연료로 수소를 사용하고, 산화제로 공기 중의 산소를 사용하여 이들의 산화 및 환원 반응에 의해 물을 발생시켜 발전하는 발전시스템이다.

이는 기존의 다른 발전시스템과는 달리 공해 및 소음이 거의 없고, 발전효율이 높아 차세대 대체 에너지로 각광 받고 있다.

특히, 고온형 연료전지인 용융탄산염 연료전지 또는 고체산화물 연료전지는 500℃ 이상의 고온에서 발전하는 시스템으로서, 수소의 산화 및 산소의 환원에 백금 등의 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.

연료전지의 단위전지는 전기화학 반응이 일어나는 연료극 및 공기극과, 연료 가스 및 산화제 가스의 유로를 형성하는 분리판과, 전하를 포집하는 집전판과, 이온 전도를 하는 전해질/지지체로 구성된다. 또한, 이러한 단위전지를 여러 층으로 적층한 것을 스택이라 한다.

이때, 상기 분리판은 각 단위전지 간의 전기적인 접속을 제공함과 동시에 연료극에 연료 가스의 유로와, 공기극에 산화제 가스의 유로를 제공하는 역할을 하게 된다.

그런데, 이와 같이 구성되는 연료전지의 경우, 연료가 가지는 에너지의 일부가 전기에너지로 변하고, 나머지는 대부분 열로 변하게 되는데, 이러한 발열량에 의해 스택 내부에 고온부가 발생하게 된다.

상기 고온부는 연료전지 각 구성요소인 전극, 전해질 및 분리판에 악영향을 미치게 된다.

다시 말해서, 다공질 전극에 있어서 고온에 의한 다공 구조의 변화, 금속 분리판의 부식 증대 및 변형, 그리고 이러한 원인에 의한 연료 가스의 누설이 발생하여 연료전지 스택의 수명을 크게 단축시킬 수 있다.

따라서, 이와 같은 고온부 발생을 억제하기 위한 종래의 기술로서, 미국특허 제7097929B2호는 공기가 주성분인 산화제 가스의 유로 길이를 단축시켜 가스 흐름에 의해 발생하는 압력을 감소시키는 기술인데, 이는 다량의 산화제 가스의 공급을 가능케 하여 고온부의 발생을 억제하는 기술이며, 미국특허 제005175062A호, 제005660941A호는 개질 반응에 필요한 열을 스택의 발열량으로부터 공급받아 고온부 발생을 억제하는 기술이다.

통상적으로 산화제 가스를 과잉으로 공급하는 방식의 분리판은 연료 가스인 수소와 이산화탄소가 이동하는 연료극 유로와, 공기와 이산화탄소가 이동하는 공기극 유로를 가지며, 각각의 연료극부와 공기극부가 순차적으로 위치하는 특징을 가지고 있다.

그러나, 정해진 유로에서 과량의 가스 이동에 대한 저항을 제공하여 압력의 상승을 유발하게 되는 바, 고온형 연료전지 중 용융탄산염 연료전지는 다공성 세라믹에 함침된 전해질에 의해 웨트실(Wet Seal)의 형태로 연료 및 산화제 가스가 격리되어 있다.

따라서, 고온부 억제를 위해 과량의 산화제를 공급하면 유로에서 과다한 압력 상승이 발생하여 웨트실이 파괴됨으로써, 연료 가스의 누설이 일어나고, 연료전지 스택의 수명을 크게 저하시키게 되는데, 현재까지 이러한 문제점은 가압형 시스템을 구축하여 해결하여 왔으나 시스템이 매우 복잡하고 운전이 어려운 제약 조건이 남아 있다.

또한, 내부 개질 반응을 이용하여 스택의 고온부를 억제하는 방식의 분리판은 전극 반응에서 생성된 발열량을 개질 반응의 흡열에 이용할 수 있도록 분리판 내부에 개질실이 포함되어 있는 구조를 가지고 있다.

그러나, 개질 촉매가 포함되어 있는 구조를 가지고 있기 때문에 개질촉매의 피독에 의해 스택의 수명을 제약 할 수 있고, 또한 석탄가스를 이용할 경우 생산된 수소를 다시 메탄으로 전환하여 사용하여야 하는 단점이 있다.

또한, 종래 기술 중에는 산소/질소 분리기를 이용하여 산화제 가스로 산소를 사용하는 방식이 있는데, 이는 공기극에 산소 분압을 높여 스택의 성능을 향상시키기 위한 것으로서, 상기 스택의 성능 향상을 통해 내부 발열량을 줄여주는 효과는 가질 수 있겠으나, 궁극적으로 스택의 고온부를 억제하는 효과는 제한적일 수밖에 없다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연료전지의 분리판 내부에 산소와 질소의 유로를 분리하여 전기화학 반응이 일어나는 공기극의 유로에 산소의 분압을 높임으로써 종래의 연료전지 대비, 성능을 향상시킬 뿐만 아니라, 기타 질소 가스의 유로를 통해 발전 시 발생하는 열을 효율적으로 제거 할 수 있는 고온용 연료전지 분리판을 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고온용 연료전지 분리판에 있어서, 전극판인 연료극(10) 및 공기극(80)과; 상기 한 쌍의 전극 사이에서 밀봉을 형성하는 한 쌍의 마스크 판(20,70)과; 상기 한 쌍의 전극과 전기적인 연결을 형성하는 집전체(30,60)와; 연료 기체 및 공기가 혼합되는 것을 억제하는 주름판(40,50)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 마스크 판(20,70), 집전체(30,60), 주름판(40,50)의 양측면에 형성된 내부 매니폴드(21a,21b,71a,71b)의 밀봉 역할과 질소 가스 유로의 높이를 담당하는 지지대(90)가 연료극 주름판(40) 및 공기극 주름판(50) 사이에 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분리판 사이를 흐르는 연료 기체 중, 연료 가스(11)는 분리판의 내부 매니폴드(21a,21b)를 통하여 연료극 집전체(30)와 연료극 주름판(40) 사이로 흐르게 되고, 산화제 가스(81)는 분리판의 내부 매니폴드(71a,71b)를 통하여 공기극 주름판(50)과 공기극 집전체(60) 사이로 흐르게 되며, 스택 냉각을 위한 질소 가스(51)는 외부 매니폴드를 통하여 연료극 주름판(40)과 공기극 주름판(50) 사이로 흐르게 되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 고온용 연료전지 분리판에 의하면, 종래의 연료전지 분리판의 공기극 유로를, 각각의 산소 유로와 질소 유로로 분리하되, 산소 유로를 통해 공기극의 산소 분압을 높여 연료전지 성능을 극대화시키고, 질소 유로를 통해 스택 내의 고온부 발생을 억제, 온도분포를 균일하게 조절하여 스택의 신뢰성을 향상시키는 한편, 과잉 산화제 가스 공급 또는 내부 개질 촉매 사용을 통해 비용 절감을 도모할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 고온용 연료전지 분리판을 나타내는 분해사시도이고, 도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고온용 연료전지 분리판의 분해사시도이며, 도 3은 도 2의 고온용 연료전지 분리판의 일부 절개 사시도이다.

본 발명은 치밀한 전해질층 양측에 연료극(10)과 공기극(80)으로 이루어진 두 전극판을 설치하고, 여기에 각각 수소를 포함한 연료기체와 산소를 포함한 공기를 공급하여 전해질층에 이온 전도 현상을 유도시킨 후, 이를 이용하여 전기 화학적으로 연료에 포함된 수소와 공기에 포함된 산소를 반응시켜 연료의 화학에너지로부터 전기를 생산하는 연료전지에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 분리판의 구성은 전극판인 연료극(10) 및 공기극(80)과, 상기 한 쌍의 전극 사이에서 밀봉을 형성하는 한 쌍의 마스크 판(20,70)과, 상기 한 쌍의 전극과 전기적인 연결을 형성하는 집전체(30,60)와, 연료 기체 및 공기가 혼합되는 것을 억제하는 주름판(40,50)을 포함하여 구성된다.

이때, 상기 마스크 판(20,70)은 연료극(10)과 연료극 집전체(30) 사이에서 밀봉을 형성하는 연료극 마스크 판(20) 및 공기극 집전체(60)와 공기극(80) 사이에서 밀봉을 형성하는 공기극 마스크 판(70)으로 이루어져 있다.

또한, 상기 집전체(30,60)는 연료극(10)과 전기적인 연결을 수행하는 연료극 집전체(30) 및 공기극(80)과 전기적인 연결을 수행하는 공기극 집전체(60)로 구분된다.

상기 주름판(40,50)은 수소 성분을 포함하는 연료 가스와 질소 가스가 혼합되는 것을 방지하는 연료극 주름판(40) 및 질소 가스와 산소 가스 성분의 산화제 가스가 혼합되는 것을 방지하는 공기극 주름판(50)으로 이루어져 있다.

그리고, 상기 마스크 판(20,70), 집전체(30,60), 주름판(40,50)의 양측면에 형성된 내부 매니폴드(21a,21b,71a,71b)의 밀봉 역할과 질소 가스 유로의 높이를 담당하는 지지대(90)가 더 포함되어 이루어진다.

한편, 도 2에 도시된 다른 실시예는, 도 1에서 분리판의 내부 매니폴드(21a,21b,71a,71b)의 밀봉 역할과 질소 가스 유로의 높이를 담당하는 지지대(90) 부분을 제거하고, 각 연료극 주름판(40)과 공기극 주름판(50)을 이용하여 지지대 역할을 담당하게 된다.

이하, 본 발명에 따른 고온용 연료전지 분리판에 있어서, 연료 기체와 공기의 흐름을 도 3에 도시된 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 연료 가스(11)는 분리판의 양측에 형성된 내부 매니폴드(21a,21b)를 통하여 연료극 집전체(30)와 연료극 주름판(40) 사이로 흐르게 되고, 산화제 가스(81)는 분리판의 양측에 형성된 내부 매니폴드(71a,71b)를 통하여 공기극 주름판(50)과 공기극 집전체(60) 사이로 흐르게 된다.

반면에 스택 냉각을 위한 질소 가스(51)는 외부 매니폴드(미도시)를 통하여 연료극 주름판(40)과 공기극 주름판(50) 사이로 흐르게 된다.

이러한 분리판의 구성을 통하여 공기극(80)에 흐르는 가스 성분 중 산화제 가스(81)는 산소 분압을 극대화시켜 스택의 성능을 향상시키고, 질소 가스(51)는 스택 내의 고온부 발생을 억제시켜 온도 분포를 균일하게 조절함으로써 스택의 내구성을 향상시키게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 고온용 연료전지 분리판을 나타내는 분해사시도,

도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고온용 연료전지 분리판의 분해사시도,

도 3은 도 2의 고온용 연료전지 분리판의 일부 절개 사시도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 연료극 20 : 연료극 마스크 판

30 : 연료극 집전체 40 : 연료극 주름판

50 : 공기극 주름판 60 : 공기극 집전체

70 : 공기극 마스크 판 80 : 공기극

90 : 지지대

Claims

고온용 연료전지 분리판에 있어서,

전극판인 연료극(10) 및 공기극(80)과;

상기 한 쌍의 전극 사이에서 밀봉을 형성하는 한 쌍의 마스크 판(20,70)과;

상기 한 쌍의 전극과 전기적인 연결을 형성하는 집전체(30,60)와;

연료 기체 및 공기가 혼합되는 것을 억제하는 주름판(40,50)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고온용 연료전지 분리판.
제1항에 있어서,

상기 마스크 판(20,70), 집전체(30,60), 주름판(40,50)의 양측면에 형성된 내부 매니폴드(21a,21b,71a,71b)의 밀봉 역할과 질소 가스 유로의 높이를 담당하는 지지대(90)가 연료극 주름판(40) 및 공기극 주름판(50) 사이에 더 포함되는 것을 특징으로 하는 고온용 연료전지 분리판.
제1항에 있어서,

상기 마스크 판(20,70)은 연료극(10)과 연료극 집전체(30) 사이에서 밀봉을 형성하는 연료극 마스크 판(20) 및 공기극 집전체(60)와 공기극(80) 사이에서 밀봉 을 형성하는 공기극 마스크 판(70)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온용 연료전지 분리판.
제1항에 있어서,

상기 집전체(30,60)는 연료극(10)과 전기적인 연결을 수행하는 연료극 집전체(30) 및 공기극(80)과 전기적인 연결을 수행하는 공기극 집전체(60)로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온용 연료전지 분리판.
제1항에 있어서,

상기 주름판(40,50)은 수소 성분을 포함하는 연료 가스와 질소 가스가 혼합되는 것을 방지하는 연료극 주름판(40) 및 질소 가스와 산소 가스 성분의 산화제 가스가 혼합되는 것을 방지하는 공기극 주름판(50)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온용 연료전지 분리판.
제1항에 있어서,

상기 분리판 사이를 흐르는 연료 기체 중, 연료 가스(11)는 분리판의 내부 매니폴드(21a,21b)를 통하여 연료극 집전체(30)와 연료극 주름판(40) 사이로 흐르 게 되고, 산화제 가스(81)는 분리판의 내부 매니폴드(71a,71b)를 통하여 공기극 주름판(50)과 공기극 집전체(60) 사이로 흐르게 되며, 스택 냉각을 위한 질소 가스(51)는 외부 매니폴드를 통하여 연료극 주름판(40)과 공기극 주름판(50) 사이로 흐르게 되는 것을 특징으로 하는 고온용 연료전지 분리판.