KR20100072802A - 고체 산화물 연료 전지 스택 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체 산화물 연료 전지 스택 장치에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 연료 배출 및 연료/반응물을 배출하는 관형 매니폴드와, 밀봉 가스켓을 이용하여 기밀성(gas-tightness)을 향상시키고, 사이즈를 컴팩트하게 하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 양측에 연료 도입부 및 연료/반응물 배출부가 구비되고, 연료 도입부와 연료/반응물 배출부 사이에는 다수의 연료 흐름부가 구비되며, 양단은 마개로 막힌 다수의 평관형 단위셀이 적층되어 이루어진 스택과, 스택의 각 평관형 단위셀의 연료 도입부 및 연료/반응물 배출부에 각각 결합되어 연료를 도입하거나 연료/반응물을 배출하는 관형 매니폴드와, 관형 매니폴드에 결합된 동시에, 각 평관형 단위셀 사이에 개재된 다수의 밀봉 가스켓과, 관형 매니폴드에 결합된 동시에, 스택중 최하단 및 최상단의 평관형 단위셀에 밀착된 집전판으로 이루어진 고체 산화물 연료 전지 스택 장치를 개시한다.

Description

고체 산화물 연료 전지 스택 장치{Solid Oxide Fuel Cell Stack Device}
본 발명은 고체 산화물 연료 전지 스택 장치에 관한 것이다.
일반적으로 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC)는 이트리아 안정화 지르코니아(이하 YSZ)와 같은 이온전도성 전해질 양쪽에 음극(혹은 연료극)과 양극(수소극)이 부착되어 있는 셀을 기본 구성 요소로 한다. 상기 YSZ와 같은 고체 전해질은 연료와 공기가 섞이지 않도록 치밀한 구조를 가지는 반면에 음극과 양극은 각각 연료와 수소가 원활히 확산되도록 다공성 구조를 갖도록 구성하는 것이 일반적이다.
상기 SOFC의 구조는 크게 평판형과 튜브형이 개발되었으며, 튜브형은 다시 원통형과, 셀 들의 연결(stacking)이 용이하도록 납작하게 만든 평관형으로 분류된다. SOFC 셀의 출력밀도를 높이기 위해서 전극 지지체 위에 전해질을 얇게 막으로 입힘으로써 셀의 저항을 줄이는 것이 평판형과 튜브형 셀을 제작하기 위해 일반적으로 사용되는 방법이다.
상기 평판형 SOFC 셀의 경우, 금속이나 세라믹 연결판을 이용하기 때문에 적층과 집전이 용이하나 대면적의 평판형 셀을 만들기 어렵고 셀 상하의 연료와 공기의 흐름을 분리하기 위한 밀봉재가 별도로 필요한 단점이 있다.
반면, 상기 튜브형 셀은 기계적 강도가 우수하며 튜브의 양끝 또는 한쪽 끝만을 밀봉하기 때문에 평판형 셀에 비해 밀봉부위가 작아 내부와 외부의 가스 흐름을 제어하기 쉽다. 튜브형 SOFC 셀에 유체통로를 연결하기 위해서는 금속 매니폴드와 셀을 브레이징하여 연결하거나(US2007/0231660) 혹은 유리질을 포함하는 세라믹 페이스트를 바르는 방법이 사용된다.
한편, 원통형 튜브셀은 구조상 스택을 구성하기 어렵고 셀의 저항이 크기 때문에, 내부에 격벽을 가진 평관형 튜브셀을 이용한 스택이 고안되었다.(대한민국 특허10-0538555) 그러나 원형의 단면을 갖는 원통형 셀과는 달리 직사각형의 단면을 갖는 평관형 셀은 직사각형의 단면을 갖는 가스 매니폴드를 사용해야 하기 때문에 정확한 크기의 매니폴드 제작이 어렵고, 가스누출 위험이 높아지며, 제작비용이 증가하는 문제점이 있다.
또한 상기의 튜브형 SOFC 스택은 셀과 가스 매니폴드의 밀봉 부위가 스택에서 많은 부피를 차지하기 때문에 컴팩트한 구조의 SOFC 스택을 만들기 어렵고, 밀봉 부위만큼 셀의 반응면적이 줄어들기 때문에 셀의 제조비용이 늘어나는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 연료 배출 및 연료/반응물을 배출하는 관형 매니폴드와, 밀봉 가스켓을 이용하여 기밀성(gas-tightness)을 향상시키고, 또한 사이즈를 컴팩트하게 할 수 있는 고체 산화물 연료 전지 스택 장치를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 고체 산화물 연료 전지 스택 장치는 양측에 연료 도입부 및 연료/반응물 배출부가 구비되고, 상기 연료 도입부와 상기 연료/반응물 배출부 사이에는 다수의 연료 흐름부가 구비되며, 양단은 마개로 막힌 다수의 평관형 단위셀이 적층되어 이루어진 스택과, 상기 스택의 각 평관형 단위셀의 연료 도입부 및 연료/반응물 배출부에 각각 결합되어 연료를 도입하거나 연료/반응물을 배출하는 관형 매니폴드와, 상기 관형 매니폴드에 결합된 동시에, 상기 각 평관형 단위셀 사이에 개재된 다수의 밀봉 가스켓과, 상기 관형 매니폴드에 결합된 동시에, 상기 스택중 최하단 및 최상단의 평관형 단위셀에 밀착된 집전판을 포함한다.
상기 스택을 이루는 평관형 단위셀 사이에는 요홈을 갖는 연결재층이 개재될 수 있다.
관형 매니폴드는 베이스와, 상기 베이스에 연결된 동시에 상기 베이스에 비하여 직경이 상대적으로 작고, 상기 평관형 단위셀의 각 연료 도입부 및 연료/반응 물 배출부와 대응되는 위치에 홀이 형성된 몸체와, 상기 몸체의 상단에 나사 결합된 뚜껑을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 밀봉 가스켓은 금, 은, 니켈, 세라믹 또는 유리질중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 집전판은 금속 또는 세라믹중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 관형 매니폴드는 세라믹 또는 금속에 세라믹을 코팅하여 형성된 것 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택 장치는 연료 배출 및 연료/반응물을 배출하는 관형 매니폴드와, 밀봉 가스켓을 이용하여 기밀성(gas-tightness)을 향상시키고, 또한 사이즈를 컴팩트하게 할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택 장치의 조립 상태를 도시한 부분 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택 장치(100)는 다수의 평관형 단위셀(111)이 적층되어 이루어진 스택(110), 상기 스택(110)의 양측부에 수직 방향으로 각각 결합된 관형 매니폴드(120), 상기 평관형 단위셀(111)들의 사이에 개재된 밀봉 가스켓(130), 상기 스택(110)의 하단과 상단에 각각 결합된 집전판(140)을 포함한다.
상기 스택(110)은 다수의 평관형 단위셀(111)이 수직 방향으로 순차 적층되어 이루어진다. 이러한 각 평관형 단위셀(111)은 양측에 연료 도입부(112) 및 연료/반응물 배출부(113)가 구비되고, 상기 연료 도입부(112)와 상기 연료/반응물 배출부(113)의 사이에는 다수의 연료 흐름부(114)가 구비되며, 양단은 마개(115)로 막힌 구조를 한다. 이는 아래에서 다시 상세히 설명한다.
상기 관형 매니폴드(120)는 상기 스택(110)을 이루는 다수의 평관형 단위셀(111)을 수직 방향으로 관통하여 이루어진다. 이러한 관형 매니폴드(120)는 상기 스택(110)의 각 평관형 단위셀(111)의 연료 도입부(112) 및 연료/반응물 배출부(113)에 각각 결합되어 연료를 도입하거나 연료/반응물을 배출하는 역할을 한다. 이는 아래에서 다시 상세히 설명하기로 한다.
상기 밀봉 가스켓(130)은 상기 관형 매니폴드(120)에 결합된 동시에, 상기 각 평관형 단위셀(111)들 사이에 개재됨으로써, 스택(110)의 기밀성을 향상시키는 역할을 한다. 이는 아래에서 다시 상세히 설명하기로 한다.
상기 집전판(140)은 상기 관형 매니폴드(120)에 결합된 동시에, 상기 스택(110)중 최하단의 평관형 단위셀(111) 및 최상단의 평관형 단위셀(111)에 밀착됨으로써, 최종적으로 전하를 모으는 역할을 한다.
도 2A 및 도 2B는 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택 장치중 평관형 단위셀을 도시한 평면도 및 단면도이다.
도 2A에 도시된 바와 같이 평관형 단위셀(111)은 양측에 연료 도입부(112) 및 연료/반응물 배출부(113)가 구비되고, 상기 연료 도입부(112)와 상기 연료/반응물 배출부(113) 사이에는 다수의 연료 흐름부(114)가 구비되며, 양단은 마개(115)로 막혀 있다.
도 2B에 도시된 바와 같이 평관형 단위셀(111)은 제1전극(116)을 중심으로, 대략 중앙에 다수의 연료 흐름부(114)가 형성되어 있다. 여기서, 상기 제1전극(116)은 음극 또는 양극이다. 또한, 상기 제1전극(116)의 표면에는 얇은 두께로 전해질층(117)이 형성되어 있다. 더불어, 상기 전해질층(117)중 소정 영역에는 제2전극(118)이 형성되어 있다. 일례로, 도면에서는 제1전극(116)의 하부면에 제2전극(118)이 형성되어 있다. 이러한 제2전극(118)은 양극 또는 음극이다. 더불어, 상기 제1전극(116)의 상부면에는 다수의 평관형 단위셀(111)이 적층되어 전기적으로 연결될 수 있도록 연결재층(119)이 형성되어 있다. 이러한 연결재층(119)은 공기가 원할히 지나갈 수 있도록 표면에 요철이 형성되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택 장치(100)의 일부 구성을 도시한 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 평관형 단위셀(111)은 수직 방향으로 적층 되어 스택(110)을 이룬다. 물론, 평관형 단위셀(111) 사이에는 전기적 연결을 위해 연결재층(119)이 개재되어 있다. 또한, 최하단의 평관형 단위셀(111)과, 최상단의 평관형 단위셀(111)에는 전하를 모으기 위한 집전판(140)이 각각 밀착된다. 이러한 구조에 의해 상기 스택(110)은 상부의 집전판(140)이 마이너스 전극이 되고, 하부의 집전판(140)이 플러스 전극이 된다.
도 4는 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택 장치중 관형 매니폴드를 도시한 부분 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 관형 매니폴드(120)는 베이스(121), 몸체(123) 및 뚜껑(126)을 포함한다.
상기 베이스(121)는 내부가 관통된 형태로서 상기 몸체(123)에 비해 외경이 상대적으로 크다. 따라서 상기 베이스(121)에는 상기 몸체(123)와의 경계면에 자연스럽게 스텝(122)이 형성된다.
상기 몸체(123)는 상기 베이스(121)에 연결된 동시에 상부로 일정 길이 연장되어 있고, 내부가 관통되어 있다. 물론, 상기 베이스(121)에 비하여 작은 외경을 갖는다. 또한, 상기 몸체(123)에는 상기 평관형 단위셀(111)의 각 연료 도입부(112) 및 연료/반응물 배출부(113)와 대응되는 위치에 홀(124)이 형성되어 있다. 이러한 홀(124)을 통하여 연료가 도입되거나 또는 연료/반응물이 배출된다. 더불어, 상기 베이스(121)의 상단에는 숫나사산(125)이 형성되어 있다. 상기 뚜껑(126)은 상기 몸체(123)의 상단에 형성된 숫나사산(125)에 결합된다. 즉, 상기 뚜껑(126)은 내부에 암나사산(127)이 형성되어 상기 몸체(123)의 숫나사산(125)과 결합된다. 여기서, 상기 홀(124)은 연료의 도입량 또는 연료/반응물의 배출량에 따라 다양한 크기로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 관형 매니폴드(120)는 기본적으로 전기적 절연을 위해 세라믹 또는 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다. 더불어, 상기 관형 매니폴드(120)는 금속에 세라믹을 코팅하여 이루어질 수도 있다. 따라서 상기 평관형 단위셀(111)들은 상기 관형 매니폴드(120)를 통하여 직접 전기적으로 도통되지 않는다.
도 5는 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택 장치중 밀봉 가스켓과 집전판을 도시한 평면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이 밀봉 가스켓(130)은 대략 원형 링 형태를 한다. 상술한 바와 같이 이러한 밀봉 가스켓(130)은 관형 매니폴드(120)에 끼워진 동시에 평관형 단위셀(111)과 평관형 단위셀(111) 사이에 개재된다. 구체적으로, 상기 밀봉 가스켓(130)은 금, 은, 니켈, 세라믹, 유리질 또는 그 등가물중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나, 이러한 재질로 상기 밀봉 가스켓(130)을 한정하는 것은 아니다. 더욱이, 본 발명에서는 상기 밀봉 가스켓(130)을 사용하지 않고 세라믹 밀봉 페이스트를 평관형 단위셀(111)의 연료 도입부(112) 또는 연료/반응물 배출부(113) 주위에 페인팅할 수도 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이 집전판(140)은 양단에 각각 홀(141)이 형성되어 있다. 물론, 이러한 홀(141)에는 상기 관형 매니폴드(120)가 결합된다. 상기 집전판(140)은 금속, 세라믹 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
이러한 구성을 하는 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택 장치(100)의 조립 방법을 설명한다.
먼저 베이스(121), 다수의 홀(124)이 형성된 몸체(123) 및 상기 몸체(123)에 나사 결합되는 뚜껑(126)으로 이루어진 두개의 관형 매니폴드(120)를 준비한다. 물론, 조립전 상기 뚜껑(126)은 몸체(123)로부터 분리한다.
또한, 양측에 연료 도입부(112) 및 연료/반응물 배출부(113)가 구비되고, 상기 연료 도입부(112)와 상기 연료/반응물 배출부(113) 사이에 다수의 연료 흐름부(114)가 구비되며, 양단은 마개(115)로 막힌 다수의 평관형 단위셀(111)을 구비한다. 물론, 상기 평관형 단위셀(111)의 상부면에는 요철 형태의 연결재층(119)이 형성된 것을 구비한다.
여기서, 양측 끝단이 마개(115)로 막힌 평관형 단위셀(111)은 아래와 같이 크게 2 가지 방법으로 제조될 수 있다.
첫째, 연료 흐름부가 있는 관형 전극 지지체(다공성)를 압출하여 성형하고, 양끝을 같은 물질의 압출체를 붙이며, 표면에 전해질을 코팅하여 열처리함으로써 셀 표면으로 가스가 새지 않도록 할 수 있다.
둘째, 연료 흐름부가 있는 관형 전극 지지체(다공성)를 압출하여 성형하고, 표면에 전해질을 코팅하여 열처리한 후, 양끝을 세라믹 페이스트로 막거나, 마개를 세라믹 본드로 붙여서 막을 수 있다.
상술한 평관형 단위셀(111)을 제조하는 방법외에도 여러 가지 다른 방법이 가능하며, 본 발명에서 상기 방법으로 평관형 단위셀(111)의 제조 방법을 한정하는 것은 아니다.
계속해서, 양측에 홀(141)이 형성된 두개의 집전판(140)과, 링 형태로 이루어진 다수의 밀봉 가스켓(130)을 준비한다.
이어서, 상기 각각의 관형 매니폴드(120)에 밀봉 가스켓(130)을 끼운 후 첫번째 평관형 단위셀(111)을 상기 관형 매니폴드(120)에 결합한다. 즉, 평관형 단위셀(111)의 각 연료 도입부(112) 및 연료/반응물 배출부(113)가 상기 각각의 관형 매니폴드(120)에 결합되도록 한다.
이어서, 상기 각각의 관형 매니폴드(120)에 다시 밀봉 가스켓(130)을 끼운후 두번째 평관형 단위셀(111)을 상기 관형 매니폴드(120)에 결합한다. 이러한 방식으로 원하는 만큼 밀봉 가스켓(130) 및 평관형 단위셀(111)을 적층함으로써, 스택(110)을 구현한다.
평관형 단위셀(111)을 모두 결합하였으면, 다시 관형 매니폴드(120)에 밀봉 가스켓(130)을 결합한 후, 그 위에 집전판(140)을 결합한다. 즉, 집전판(140)에 형성된 홀(141)이 상기 관형 매니폴드(120)에 결합되도록 한다.
이어서, 다시 관형 매니폴드(120)에 밀봉 가스켓(130)을 결합하고, 최종적으로 뚜껑(126)을 상기 관형 매니폴드(120)에 결합한다. 이때, 상기 뚜껑(126)은 최대한 강한 힘으로 관형 매니폴드(120)에 결합되도록 한다.
이와 같이 하여, 상기 다수의 밀봉 가스켓(130)이 충분히 압축됨은 물론, 평관형 단위셀(111)과 평관형 단위셀(111) 사이의 접촉 즉, 평관형 단위셀(111) 하부의 연결재층(119)이 상부의 평관형 단위셀(111)에 충분한 면적으로 접촉된다. 따라서, 본 발명은 기밀성이 우수하면서도 컴팩트한 고체 산화물 연료 전지 스택 장치(100)를 구현하게 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택 장치의 조립 상태를 도시한 부분 단면도이다.
도 2A 및 도 2B는 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택 장치중 평관형 단위셀을 도시한 평면도 및 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택 장치의 일부 구성을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택 장치중 밀봉 가스켓과 집전판을 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택 장치중 관형 매니폴드를 도시한 부분 단면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100; 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택 장치
110; 스택 111; 평관형 단위셀
112; 연료 도입부 113; 연료/반응물 배출부
114; 연료 흐름부 115; 마개
116; 제1전극 117; 전해질층
118; 제2전극 119; 연결재층
120; 관형 매니폴드 121; 베이스
122; 스텝 123; 몸체
124; 홀 125; 숫나사산
126; 뚜껑 127; 암나사산
130; 밀봉 가스켓 140; 집전판
141; 홀

Claims (6)

  1. 양측에 연료 도입부 및 연료/반응물 배출부가 구비되고, 상기 연료 도입부와 상기 연료/반응물 배출부 사이에는 다수의 연료 흐름부가 구비되며, 양단은 마개로 막힌 다수의 평관형 단위셀이 적층되어 이루어진 스택;
    상기 스택의 각 평관형 단위셀의 연료 도입부 및 연료/반응물 배출부에 각각 결합되어 연료를 도입하거나 연료/반응물을 배출하는 관형 매니폴드;
    상기 관형 매니폴드에 결합된 동시에, 상기 각 평관형 단위셀 사이에 개재된 다수의 밀봉 가스켓; 및,
    상기 관형 매니폴드에 결합된 동시에, 상기 스택중 최하단 및 최상단의 평관형 단위셀에 밀착된 집전판을 포함하여 이루어진 고체 산화물 연료 전지 스택 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택을 이루는 평관형 단위셀 사이에는 요홈을 갖는 연결재층이 개재된 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 스택 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    관형 매니폴드는
    베이스;
    상기 베이스에 연결된 동시에 상기 베이스에 비하여 직경이 상대적으로 작고, 상기 평관형 단위셀의 각 연료 도입부 및 연료/반응물 배출부와 대응되는 위치에 홀이 형성된 몸체; 및,
    상기 몸체의 상단에 나사 결합된 뚜껑을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 스택 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉 가스켓은
    금, 은, 니켈, 세라믹 또는 유리질중에서 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 스택 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 집전판은 금속 또는 세라믹중에서 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 스택 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 관형 매니폴드는 세라믹 또는 금속에 세라믹을 코팅하여 형성된 것 중에서 선택된 어느 하나로 이루어짐을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 스택 장치.
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