KR20100057965A - 멀티 셀 구조를 가지는 평관형 고체산화물 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멀티 셀 구조를 가지는 평관형 고체산화물 연료전지에 관한 것으로, 하나의 단전지(C)에 복수의 발전소자부열(Ca,Cb)이 구성되어, 각 발전소자부열들은 지지체(1)의 길이 방향으로 인접한 발전소자부 간에 연결재(5)를 매개로 직렬 연결이 이루어질 뿐만 아니라, 폭 방향으로 인접한 발전소자부 간에도 연결재(7)를 매개로 병렬 연결이 이루어진다.

따라서, 단전지 내에 이상 발전소자부가 발생하여도 병렬 연결된 인접 발전소자부를 통해 통전이 이루어지므로 이상 발전소자부를 제외한 나머지 정상 발전소자부들에서 발생한 전류의 집전은 정상적으로 이루어질 수 있다.

따라서, 스택의 발전성능이 향상되고, 각 단전지의 내구성 및 신뢰성이 향상되며, 지지체 제조에 드는 재료 비용 및 단전지 제조 공정 수가 감소됨으로써 생산성이 향상되는 효과가 있다.

평관형 고체산화물 연료전지, 집전 구조, 발전소자부 연결구조

Description

멀티 셀 구조를 가지는 평관형 고체산화물 연료전지{Flat Tubular Solid Oxide Fuel Cell with Multi-cell structure}

본 발명은 평관형 고체산화물 연료전지에 관한 것으로, 특히 단전지(Cell)를 구성하는 여러 발전소자부 중에서 어느 하나의 발전소자부에 이상이 발생하여도 그 외 나머지 발전소자부에서 발생된 전류를 정상적으로 집전할 수 있도록 된 멀티 셀 구조를 가지는 평관형 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.

고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell ; SOFC)는 600 ~ 1000℃의 고온에서 작동되므로 기존의 연료전지 중 가장 전력 변환 효율이 높다.

또한, 고온 작동으로 인하여 200℃ 이하의 온도에서 작동되는 인산 연료전지 또는 고분자 전해질 연료전지와는 달리 고가의 백금 촉매를 사용하지 않고도 반응을 가속화시킬 수 있으며, 고온에서 연료극 측에서의 연료의 개질반응이 가능하여 수소 이외에 천연가스 및 석탄가스 등의 연료를 직접 사용할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 배출되는 양질의 폐열을 이용한 배열회수 및 복합발전이 가능하여 전체 발전 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.

특히, 용융탄산염 연료전지와는 달리 액체 전해질을 사용하지 않으므로 재료의 부식, 전해질 손실, 그에 따른 보충 문제가 없는 장점이 있다.

한편, 고체산화물 연료전지는 지지체의 형상에 따라 크게 원통형과 평판형으로 구분되는데, 원통형 지지체의 경우에는 외주면에, 평판형 지지체의 경우에는 상면 및 하면에, 연료극과 전해질과 공기극이 층상(層狀) 구조로 코팅된 발전소자부가 형성된다.

일반적으로는 하나의 발전소자부가 하나의 단전지를 형성하나, 멀티 셀(Multi-cell) 구조의 경우에는 원통형과 평판형의 특징을 조합하여 지지체를 원형관에서 평평한 면을 가지는 평관형으로 제조하고 그 상면 및 하면에 상호 연결재로 연결된 다수의 발전소자부를 형성하여 하나의 단전지를 형성하며, 이러한 단전지가 다수 모여 스택을 구성한다.

도 1은 멀티 셀 구조를 갖는 평관형 단전지의 사시도이고, 도 2는 도 1의 I-I선 단면도이며, 도 3은 도 1의 평면도이다.

직사각형의 평관형 지지체(1)는 세라믹 재질의 다공성 절연체로 이루어지고, 내부에는 연료가스유로(1a)가 지지체(1)의 길이 방향으로 형성되되, 지지체(1)의 폭 방향으로 상호 근접하여 다수 열 형성된다.

상기 지지체(1)의 상면과 하면에는 각각 연료극(2)과, 전해질(3)과, 공기극(4)이 차례로 코팅되어 발전소자부를 형성한다.

상기 발전소자부는 상기 지지체(1)의 길이 방향을 따라 인접하여 반복 형성되고, 이때 인접한 발전소자부의 연료극(2)과 공기극(4)은 고온에서 통전되는 세라 믹 재질의 연결재(5)에 의해 연결됨으로써 상호 직렬로 연결된 발전소자부들로 이루어진 멀티 셀 구조를 갖는 평관형의 단전지가 구성된다.

이어, 상기 단전지들을 다수 연결하여 목적한 발전 용량을 갖는 스택을 구성하게 되는데, 도 4에 도시된 바와 같이, 인접한 단전지(A,B)들의 양단부가 상호 금속재질의 집전체(6)로 연결되어, 그 집전체(6)를 통한 발생 전류의 집전이 이루어지게 된다.

연료전지 운전 시, 상기 연료극(2)에 연료가스(수소함유가스)가 공급되고 상기 공기극(4)에 공기(산소함유)가 공급되면 600℃ 이상의 온도에서 상기 전해질(3)을 통해 산소이온이 연료극(2)으로 이동하여 수소이온과 결합함으로써 물을 생성하며, 이때 생성된 전자의 이동에 의해 전류가 발생하게 된다.

이와 같이 각 발전소자부에서 발생된 전류는 연결재(5)를 매개로 직렬로 연결된 인접 발전소자부를 통하여 상기 집전체(6)로 전달되고, 집전체(6)에 연결된 도선을 통해 부하로 공급된다.

상기와 같은 구성의 멀티 셀 구조의 평관형 고체산화물 연료전지의 단전지는 비교적 작은 체적 내에 다수의 발전소자부를 직렬로 설치함으로써 높은 전압을 얻을 수 있다는 장점이 있다.

그러나, 상기 멀티 셀 구조의 평관형 고체산화물 연료전지의 각 단전지는 인접한 발전소자부가 직렬로 연결되어 있기 때문에, 도 4와 같이, 단전지(A, B)를 구성하는 다수의 발전소자부 중 어느 하나의 발전소자부(X)에 이상이 발생(이상이 발생한 발전소자부의 공기극의 도번을 "X"로 표시하여 이상 발전소자부임을 나타내었 다.)할 경우, 이상 발전소자부를 통해서는 전류가 흐르지 않으므로 해당 단전지(B) 전체의 집전이 이루어지지 않게 되어 스택의 발전 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 단전지(A,B)들은 지지체(1)의 면적이 크고, 인접한 단전지(A,B)들의 사이가 소정 간격(L1) 이격되어 있기 때문에, 지지체(1)의 제작을 위한 재료 소모량이 증가되고 제조 비용이 증가될 뿐만 아니라, 다수의 단전지들을 연결하여 구성되는 스택의 크기가 증가하는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 어느 하나의 발전소자부에 이상이 발생하여도 해당 단전지 내의 다른 발전소자부들에 대한 집전은 정상적으로 이루어질 수 있게 됨으로써 스택의 발전 성능 감소를 최소화하여 성능의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 된 멀티 셀 구조를 가지는 평관형 고체산화물 연료전지를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 단전지를 제조함에 있어서, 발전소자부의 면적을 동일하게 확보하면서도 지지체의 크기가 감소하여 그 제조 재료와 비용의 소모량이 감소되고, 스택의 크기 또한 감소되어 보다 컴팩트한 연료전지 스택을 구성할 수 있도록 된 멀티 셀 구조를 가지는 평관형 고체산화물 연료전지를 제공함에 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

평관형 지지체와;

상기 지지체의 표면에 연료극, 전해질, 공기극이 차례로 코팅되어 형성되고, 상기 지지체의 길이 방향으로 일정 간격마다 이격되어 배치되며, 상기 지지체의 폭 방향으로 복수 개로 분할된 발전소자부와;

상기 지지체의 길이 방향으로 인접한 발전소자부들을 직렬 연결하는 연결재 및;

상기 지지체의 폭 방향으로 인접한 발전소자부들을 병렬 연결하는 연결재;

를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 발전소자부는 상기 지지체의 폭 방향으로 등간격으로 분할된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지지체의 폭 방향으로 분할된 발전소자부는 각각의 공기극이 상기 연결재를 매개로 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지지체의 폭 방향으로 분할된 발전소자부를 연결하는 연결재는 세라믹 재질에 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 중 어느 하나 이상을 더 포함한 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따르면, 하나의 단전지 내에 이상 발전소자부가 발생하여 그 이상 발전소자부를 포함한 발전소자부열의 직렬 집전이 이루어지지 않는 경우에도, 이웃한 발전소자부간의 병렬 연결구조를 통해 상기 이상 발생 발전소자부를 제외한 나머지 발전소자부들의 집전이 정상적으로 이루어짐으로써 스택의 발전 성능이 향상되고, 스택 성능에 대한 신뢰성이 향상된다.

또한, 본 발명에 따른 단전지는 종래 복수의 단전지를 하나의 단전지로 통합 구성한 것에 해당되므로 발전소자부의 전체 반응면적을 동일하게 유지할 때, 지지체의 총 면적이 감소됨으로써 지지체의 제조 시, 재료 사용량 및 그에 따른 제조 비용이 감소될 뿐만 아니라 스택의 크기가 감소되는 효과가 있다.

또한, 동일한 이유에 의하여 지지체의 수가 감소됨으로써 지지체에 발전소자부를 형성(코팅)하는 공정수가 감소되어 생산성이 향상되는 효과가 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명에 멀티 셀 구조를 가지는 따른 평관형 고체산화물 연료전지의 단전지 평면도이고, 도 6은 도 5의 단전지에 집전체가 구비된 상태를 도시한 도면이다.

상기 도 5와 도 6은 도 3과 도 4의 대응도로서, 본 발명은 종래 복수의 단전지(A,B)를 하나의 단전지(C)로 통합 구성한 것이다.

통합된 단전지(C) 역시 기본 구성은 종래 각각의 단전지(A,B)와 동일하다.

즉, 다수의 연료가스유로(1a)가 형성된 평관형 다공성 세라믹 지지체(1)의 상면과 하면에 연료극(2)과, 전해질(3)과, 공기극(4)이 층상(層狀) 구조를 이루도록 코팅되어 발전소자부가 형성되고, 이러한 발전소자부들이 상기 지지체(1)의 길이 방향으로 서로 인접하여 다수 배열되며, 인접한 발전소자부들은 통전 재질의 세라믹 연결재(5)로 연결되어 있다.

본 발명은 상기 지지체(1)의 발전소자부가 지지체(1)의 폭 방향에 있어서 하나로 형성되는 것이 아니라 복수로 분할 형성되고, 이때 분할된 발전소자부는 모두 동일한 폭 즉, 면적을 갖는다.

도 5,6에 예시된 경우는 종래 2개의 단전지(A,B)를 통합하여 하나의 단전지(C)를 구성한 것으로, 단전지(C)의 발전소자부들이 지지체(1)의 폭 방향으로 2분할되어 2개의 발전소자부열(Ca,Cb ; 직렬 연결된 발전소자부들로 이루어진 열(列))이 형성되어 있으며, 이때 개선 전/후의 전체 발전소자부의 총 면적(반응면적)은 동일하다.

즉, 종래 2개 단전지(A,B)의 총 반응면적과 본 발명에 따른 1개 단전지(C)의 총 반응면적은 동일하다.

그리고, 상기 지지체(1)의 축 방향으로 동일한 위치에 형성된 발전소자부들 즉, 상기 양쪽 발전소자부열(Ca,Cb)에서 상호 마주보는 위치의 발전소자부들은 통전 재질의 연결재(7)를 매개로 연결된다.

즉, 지지체(1)의 폭 방향으로 상호 인접한 발전소자부들은 상기 연결재(7)를 매개로 각각의 공기극이 서로 연결된다.

이때, 상기 연결재(7)는 동일 열의 전극을 연결하는 상기 세라믹 연결재(5)와 같은 소재의 것을 사용할 수 있지만, 기능상 상기 세라믹 연결재(5)와는 다르게 치밀한 코팅이 필요 없는 반면, 보다 높은 전기 전도도 및 고온에서 강한 내산화성을 가지는 것이 유리하므로, 세라믹 소재를 기본으로 하고 이에 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등의 귀금속 소재를 첨가한 소재를 이용하여 제조할 수 있다.

상기 구성에 의해, 하나의 단전지(C)에 있어서 인접한 발전소자부 간에는 길이 방향으로는 직렬 연결이 이루어지고, 폭 방향으로는 병렬 연결이 이루어진다.

따라서, 연료전지 스택 운전 시, 어느 하나의 발전소자부(X)에 이상이 발생하여 직렬 연결재(5)를 매개로 한 길이 방향으로의 통전이 불가하게 되어도, 상기 병렬 연결재(6)를 통해 연결된 폭 방향의 인접 발전소자부를 통해 통전이 이루어질 수 있으므로, 단전지(C) 전체에서 이상이 발생한 발전소자부(X) 하나만을 제외하고 나머지 정상 발전소자부들에서 발생한 전류는 정상적으로 집전이 이루어질 수 있게 된다.

따라서, 종래에 하나의 발전소자부에 이상이 발생할 경우 그 발전소자부가 포함된 단전지 전체의 집전이 불가하여 스택 발전 성능이 저하되는 현상을 방지할 수 있게 된다.

즉, 스택을 구성하는 단전지의 내구성과 신뢰성이 향상되고, 결과적으로 스택의 발전 성능이 향상된다.

또한, 상기와 같이 복수의 단전지가 통합될 경우, 각 단전지(A,B)의 일측 발전소자부 미 형성부의 폭(L2,L3)과 단전지(A,B) 사이의 이격 거리(L1)의 합(L1+L2+L3)에 해당되는 길이(도 4참조)가 도 6에서와 같이 상호 인접한 발전소자부열(Ca,Cb) 사이의 발전소자부 미 형성부의 폭(L4)으로 감소하게 되므로 발전소자부의 면적이 일정할 때 지지체(1)의 면적이 감소된다.

따라서, 지지체(1)를 제조하기 위한 재료의 소비량이 감소되고, 그에 따라 제조 비용이 감소되는 효과가 있다.

또한, 복수의 단전지가 하나의 단전지로 통합되었으므로 스택의 발전 용량이 일정할 때 스택을 구성하는 단전지의 수가 감소된다.

따라서, 지지체에 연료극, 전해질, 공기극 등을 순차적으로 코팅하여 발전소자부를 형성하는 단전지 제조의 공정 수가 줄어듦으로써 생산성이 향상되는 효과도 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 멀티 셀 구조를 가지는 평관형 단전지의 사시도,

도 2는 도 1의 I-I선 단면도,

도 3은 도 1의 평면도,

도 4는 종래 단전지의 집전체 설치 상태도,

도 5는 본 발명에 따른 멀티 셀 구조를 가지는 평관형 단전지의 평면도,

도 6은 본 발명에 따른 멀티 셀 구조를 가지는 평관형 단전지의 집전체 설치 상태도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 지지체 1a : 연료가스유로

2 : 연료극 3 : 전해질

4 : 공기극 5 : (직렬) 연결재

6 : 집전체 7 : (병렬) 연결재

A,B,C : 단전지 Ca,Cb : 발전소자부열

Claims (4)

1. 평관형 지지체와;

   상기 지지체의 표면에 연료극, 전해질, 공기극이 차례로 코팅되어 형성되고, 상기 지지체의 길이 방향으로 일정 간격마다 이격되어 배치되며, 상기 지지체의 폭 방향으로 복수 개로 분할된 발전소자부와;

   상기 지지체의 길이 방향으로 인접한 발전소자부들을 직렬 연결하는 연결재 및;

   상기 지지체의 폭 방향으로 인접한 발전소자부들을 병렬 연결하는 연결재;

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 멀티 셀 구조를 가지는 평관형 고체산화물 연료전지.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 발전소자부는 상기 지지체의 폭 방향으로 등간격으로 분할된 것을 특징으로 하는 멀티 셀 구조를 가지는 평관형 고체산화물 연료전지.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 지지체의 폭 방향으로 분할된 발전소자부는 각각의 공기극이 상기 연결재를 매개로 연결된 것을 특징으로 하는 멀티 셀 구조를 가지는 평관형 고체산화물 연료전지.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 지지체의 폭 방향으로 분할된 발전소자부를 연결하는 연결재는 세라믹 재질에 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 중 어느 하나 이상을 더 포함한 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 멀티 셀 구조를 가지는 평관형 고체산화물 연료전지.

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