KR20100079110A - 연료전지용 세라믹 유전체 절연물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지에서의 전해질의 이동을 차단하고, 포집할 수 있는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세라믹 유전체 절연물 및 상기 절연물을 포함하는 연료전지를 제공한다. 본 발명의 연료전지용 세라믹 유전체 절연물 및 상기 절연물을 포함하는 연료전지는 액체 전해질 이동을 상당시간 지연시킬 수 있기 때문에 연료전지의 수명을 현저하게 증가시킬 수 있는 이점을 가진다.
절연물, 연료전지, 요철, 면취된 사각형

Description

연료전지용 세라믹 유전체 절연물{Ceramic Dielectric Insulator for Fuel Cell}
본 발명은 연료전지용 세라믹 유전체 절연물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 전해질의 이동을 지연시킬 수 있는 연료전지용 세라믹 유전체 절연물에 관한 것이다.
실생활에 사용할 수 있는 전기를 생산하기 위하여는 한 장의 단위전지 셀을 필요한 수만큼 적층하여 제조한 직육면체 형상의 연료전지 스택이 사용된다. 특히 용융탄산염 연료전지는 연료극(anode), 공기극(cathode) 및 매트릭스(martrix) 등으로 구성되며 각 구성요소에는 전해질이 함침되어 있고, 연료극에는 수소 또는 수소가 풍부한 연료가스를 주입하고 공기극에는 산소가 이산화탄소와 함께 공급되어 카보네이트 이온(CO3 2-)을 만든다. 공기극에서 생성된 카보네이트 이온은 연료극과 공기극 사이에 위치하는 매트릭스의 전해질을 통하여 공기극에서 연료극으로 이동하 며, 연료극에서 생성된 전자는 외부회로로 이동하여 전기를 생산하게 된다. 이때 전해질은 평상시에는 고체 상태로 존재하다가 연료전지 시스템이 정상 운전될 경우에는 약 650 ℃까지 온도가 상승하게 되어 전해질은 액화되는 것이다.
도 1은 스택, 습식 가스켓, 세라믹 유전체 절연물, 건식 가스켓 및 매니폴드로 이루어지는 종래의 연료전지의 개략적인 사시도이다.
도 1에서 보여주는 바와 같이 종래의 연료전지는 스택(106)과 매니폴드(107), 그리고 상기 매니폴드(107)와 연료전지 스택(106) 전면부 간의 가스 실링 및 전기적 절연을 위한 구조물로 이루어진다. 연료전지용 단위전지(101)를 여러 장 적층하여 만든 직육면체 모양의 연료전지 스택(106) 및 각 연료극과 공기극에 필요한 가스를 외부에서 스택 내부로 전달하기 위한 매니폴드(107)가 연료전지 시스템의 개질 방식(내부 또는 외부)에 따라 연료전지 스택(106) 전면부의 삼면 또는 사면에 설치된다. 각 매니폴드(107)는 연료전지 스택의 상부 엔드 플레이트(100)의 바로 아래에 위치한 연료전지 셀과 하부 엔드 플레이트의 바로 위에 위치한 연료전지 셀를 모두 포함하도록 적합한 크기로 제작 및 설치되기 때문에 최상부 버스바(108)와 최하부 버스바(109) 간의 전압차를 전기적으로 절연시킬 수 있는 절연물질이 중간에 사용된다. 이와 같은 절연물의 재질은 고온의 부식성 전해질이 존재하는 상황에 적합해야 하고, 주로 Al2O3와 같은 세라믹 유전체 절연물(104)이 주로 사용되며, 도 1에서 도시한 바와 같이 종래의 연료전지에서는 단면이 정사각형 혹은 직사각형인 세라믹 유전체 절연물(104)이 사용되고 있다.
또한 스택(106)과 매니폴드(107) 사이에는 상기 세라믹 유전체 절연물(104) 이외에도 각 극으로 전달되는 가스가 외부로 세어 나오지 않도록 하기 위한 가스 실링 목적의 습식 가스켓(103)과 건식 가스켓(105)을 각각 세라믹 유전체 절연물의 앞, 뒷면에 사용한다.
운전 중인 연료전지 스택의 내부에서 연료전지 스택의 (+)와 (-) 전기의 전위차 등으로 인하여 운전 중에 흘러 나오는 전도성의 액체 전해질이 이동하여 매니폴드에 도달하게 되면 연료전지 스택과 매니폴드를 전기적으로 단락시키는 효과를 야기하여 그로 인한 연료전지 시스템의 가동을 중지해야만 한다.
이러한 이유 때문에, 액체 전해질을 사용하는 연료전지 시스템의 운전 중 액체 전해질이 전위차 등으로 인한 이동이 발생하게 되며 이러한 전해질 이동을 방지 또는 지연시키기 위한 방법들이 기존에 제시되었다. 연료전지 스택에서의 가스 실링과 전기적 절연을 주목적으로 하는 액자 틀 형태의 세라믹 유전체 절연물의 사용에 관한 초기 발명(US 4,414,294)이 제시된 이래로 주로 세라믹 유전체 절연물의 형체 변경과 가스켓의 사용에 관한 발명이 계속되어왔다.
미국 등록특허공보 US 6,514,636 B2에서는 연료전지 스택과 매니폴드 사이에 설치되어 가스 실링과 전기적 절연을 제공하기 위한 목적으로 사용되는 세라믹 유전체 절연물의 표면 거칠기를 기존에 사용하였던 표면 거칠기와 비교하여 매우 정밀하게, 중심선 평균 거칠기(Ra) 10 이하로 가공하여, 전해질의 이동을 지연시키는 기술을 개시하고 있다. 또한, 미국 등록특허공보 US 7,320,838 B2에서는 상기 세라믹 유전체 절연물의 중심선 평균 거칠기 조건과 함께 전해질과 반응하여 전해질을 고체화시킬 수 있는 반응물을 담고 있는 전해질 포집 공간을 상기 세라믹 유전체 절연물에 제공하는 방법이 제안하고 있다.
그러나, 상기 종래 기술들은 전해질 이동을 지연시키기 위한 세라믹 유전체 절연물의 추가의 기계적인 가공과 함께 별도의 반응물질을 삽입시키는 등의 추가 비용이 필수적으로 소요되는 문제점을 지니고 있는바 본 목적을 달성하기 위하여 제작 비용의 상승을 초래하게 된다는 문제점을 가진다.
미국 등록특허공보 US 7,276,304 B2에서는 연료전지 스택 상부 버스바와 매니폴드를 전기적으로 연결시키는 방법 등을 이용하여 매니폴드의 전기적 전위를 높여주고 또한 건식 가스켓과 매니폴드 사이에 연료전지 스택 높이 방향으로 절연물의 높이를 증가시키고, 운모와 같은 세라믹 절연물을 추가로 사용하여 전해질 이동을 막기 위한 방법을 제시하고 있다.
그러나 이와 같은 방법은 고체 전해질이 운전 중에 액화되는 액체 전해질 연료전지 시스템의 경우에는 전해질이 액화되면서 연료전지 스택의 높이가 상당 부분 줄어들기 때문에 연료전지 스택의 높이와 동일한 상부 방향으로의 또 다른 절연물의 높이 증가에 대한 효과는 상대적으로 저감되어 효과가 매우 반감될 수 밖에 없다는 문제점이 있다.
상기 기술들과는 다르게 연료전지 시스템의 운전 중 전해질 이동으로 인하여 발생하는 전해질 고갈을 방지하기 위하여 외부에서 전해질을 보충하는 기술(US 4,643,954)도 제안되었으나 전해질 보충을 위한 구조물이 연료전지 스택과 매니폴드 간에 추가되어 구조가 복잡해질 뿐만 아니라 중 전해질 보충관을 일정 온도 이 상으로 유지시키기 위한 히터가 사용되어야 하는 등 구조의 복잡성과 효율 저감, 비용 상승 등의 결과를 초래하게 된다는 문제점이 역시 존재한다.
이에 본 발명자들은 연료전지 스택 내부의 액체 전해질 이동 현상을 지연시킬 수 있고, 추가적인 장치를 요하지 않으므로 경제성이 있으며, 연료전지의 운전시간을 비약적으로 증가시킬 수 있는 연료전지용 세라믹 유전체 절연물을 개발하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 연료전지 스택 내부의 액체 전해질 이동 현상을 지연시킬 수 있는 연료전지용 세라믹 유전체 절연물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 추가적인 장치를 요하지 않으므로 경제성이 있는 연료전지용 세라믹 유전체 절연물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연료전지 스택과 매니폴드 간의 전기적 단락 발생을 상당시간 지연시킬 수 있는 연료전지용 세라믹 유전체 절연물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연료전지의 운전시간을 비약적으로 증가시킬 수 있는 연료전지용 세라믹 유전체 절연물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 연료전지용 세라믹 유전체 절연물은 연료전지에서의 전해질의 이동을 차단하고, 포집할 수 있는 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 절연물은 그 상부에 요철 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 절연물은 그 상부 및 하부에 요철 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 절연물은 사각형의 형상이고, 그 일면이 일정한 경사각으로 면취된 모서리를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 절연물은 두 개 이상의 절연물들이 당접하여 병렬 또는 직렬로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 절연물은 두 개 이상의 절연물들이 병렬 배치되고, 상기 절연물들 사이에 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 또는 직렬로 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 전해질의 이동을 차단하고, 포집할 수 있는 구조를 가지는 세라믹 유전체 절연물을 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명은 세라믹 유전체 절연물의 독특한 기능적 형상을 제공하여 연료전지 스택 내부의 액체 전해질 이동을 지연시킬 수 있고, 추가적인 장치를 요하지 않으므로 경제성이 있으며, 연료전지 스택과 매니폴드 간의 전기적 단락 발생을 상당시간 지연시킬 수 있고, 연료전지의 운전시간을 비약적으로 증가시킬 수 있는 연료전지용 세라믹 유전체 절연물을 제공하는 발명의 효과가 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 세라믹 유전체 절연물(104)의 외형을 기존의 정육면체 혹은 직육면체의 모양에서 요철 또는 면취된 모양으로 변형하고 이러 한 모양의 세라믹 유전체 절연물(104)을 한 개 또는 다수 개를 직렬 또는 병렬로 연결시킨 구조 및 배치 방법을 제공한다.
도 2는 상부와 하부에 요철 형상을 가지는 세라믹 유전체 절연물이 적용된 본 발명에 따른 연료전지의 개략적인 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지는 도 1에서 사용된 종래의 세라믹 유전체 절연물(104)에 대한 외형을 변형시킨 세라믹 유전체 절연물(104)이 적용된 연료전지 스택(106)과 매니폴스(107) 및 그 사이의 구조물이다. 도 1에 제시한 종래의 정사각형 혹은 직사각형 단면의 세라믹 유전체 절연물(104)의 외형과 비교할 때 본 발명의 세라믹 유전체 절연물(104) 단면의 상부와 하부에 한 개 또는 두 개 이상의 요철을 둠으로써 단면이 정사각형 혹은 직사각형인 것과 비교하여 그 둘레 길이가 길어지게 된다. 이와 같이 둘레의 길이가 길어짐으로써 액체 전해질이 이동해야 하는 길이가 길어지게 되고 이로 인하여 세라믹 유전체 절연물(104)의 왼쪽 지점에서 상부 혹은 하부의 둘레로 이동할 때 반대편 오른쪽 지점까지 도착하는데 소요되는 시간이 길어지게 된다.
또한 표면에 요철을 가짐으로써 자연스럽게 이동하고 있는 액체 전해질을 저장하는 포집 공간(102)이 형성되므로 전해질이 제일 왼쪽의 포집 공간(102)을 모두 채우고 난 후 다음 요철로 이동하게 되고 다시 포집 공간(102)을 채우고 그 다음 요철로 이동하게 되어 전해질이 매니폴드에 도착하는 시간은 이에 비례하여 길어지게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지에서의 전해질의 이동을 차단하고, 포집할 수 있는 구조를 가지는 연료전지용 세라믹 유전체 절연물은 액상 전해질의 이동을 차단할 뿐만 아니라 포집도 가능하기 때문에 종래기술에 의한 절연물과 비교할 때, 스택에서 매니폴드까지 전해질이 이동하는 시간이 비약적으로 증가하는 효과를 가질 수 있고, 이로 인하여 연료전지 시스템의 수명이 종래의 연료전지에 비하여 현저하게 증가하게 된다.
도 2에서 제시한 요철 형상은 곡선 모양을 형성하는 것 이외에도 직선으로 가공될 수 있으며 즉, 삼각형이나 사각형 등으로 변형되어 실시될 수 있으며, 그 형상의 변형은 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도에서 모두 본 발명의 권리범위에 포함된다고 볼 것이다.
도 3은 상부에 요철 형상을 가지는 세라믹 유전체 절연물이 적용된 본 발명에 따른 연료전지의 개략적인 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 세라믹 유전체 절연물(104)은 그 단면을 기준으로 상부에만 요철을 적용하였다. 도 3의 실시는 연료전지 스택(106)과 매니폴드(107)를 단단하게 고정하기 위하여 가해지는 힘이 큰 경우 적용될 수 있다. 세라믹 유전체 절연물(104)의 단면 하부에는 요철이 없는 구조이므로 요철이 깨어질 수 있을 만큼의 과도한 힘이 매니폴드(107)에 가해진다고 하여도 부서진 세라믹 유전체 절연물의 요철이 매니폴드(107)에서 연료전지 스택(106)을 향하는 방향의 내부 공간으로는 들어갈 수가 없다. 상부의 요철이 깨어지게 되면 연료전지 스택(106)과 매니폴드(107)의 상부 표면 윗 부분에 머물거나 매니폴드의 바깥 방향으로 머물게 되어 전기를 생산하는 공정에는 영향을 미치지 않는다.
도 4는 두 개의 사각 형상의 세라믹 유전체 절연물들의 일면이 일정한 경사각으로 면취된 모서리를 가지고, 당접하여 병렬 배치된 본 발명에 따른 연료전지의 개략적인 단면도이다.
도 4는 세라믹 유전체 절연물(104)에 요철을 주지 않고 요철이 있는 것과 동일한 효과를 내기 위하여 세라믹 유전체 절연물(104)의 모서리 부분의 모를 일정한 경사각을 갖도록 딴 세라믹 유전체 절연물(104)이 적용된 하나의 구체예이다. 도 2의 경우와 동일하게 전해질이 이동하는 경로가 증가하는 효과와 함께, 제거하여 없앤 모서리 부분의 공간(102)만큼을 전해질이 채운 이후에 모서리의 다음 면으로 이동하기 때문에 도 2와 동일한 효과를 가져 온다.
도 5는 두 개의 사각 형상의 세라믹 유전체 절연물들의 양면이 일정한 경사각으로 면취된 모서리를 가지고, 당접하여 병렬 배치된 본 발명에 따른 연료전지의 개략적인 단면도이다.
도 5는 도 4에서 사용한 세라믹 유전체 절연물(104)의 외형을 또 다르게 변형하여 적용한 다른 구체예로서, 네 곳의 모서리를 일정한 경사각을 갖도록 모두 제거하여 전해질 이동 경로와 포집 공간(102)을 확대한 것이다.
도 6은 네 개의 사각 형상의 세라믹 유전체 절연물들의 양면이 일정한 경사각으로 면취된 모서리를 가지고, 당접하여 병렬 배치된 본 발명에 따른 연료전지의 개략적인 단면도이고, 도 7은 두 쌍의 사각 형상의 세라믹 유전체 절연물들의 양면이 일정한 경사각으로 면취된 모서리를 가지고, 당접하여 병렬 배치되며, 각 쌍의 세라믹 유전체 절연물 사이에 가스켓이 배치된 본 발명에 따른 연료전지의 개략적 인 단면도이다.
도 6 및 도 7은 도 5에 제시한 네 곳의 모서리를 일정한 경사각을 갖도록 모두 제거한 세라믹 유전체(104)를 두 겹으로 사용된 예로, 도 6에서는 두 겹의 세라믹 유전체 절연물(104)을 붙여 놓은 예이고, 도 7은 각각의 세라믹 유전체 절연물(104) 사이에 습식 가스켓(103)을 한 장 끼워 넣어 전해질의 흡수 능력을 높이기 위한 실시예이다.
도 4 내지 도 7에서 제시한 세라믹 유전체 절연물(104)은 두 개의 세라믹 유전체 절연물(104)을 상하로 적층하여 한 겹의 세라믹 유전체 절연물로 사용하는 경우에 대한 예를 제시하였으나 상하로 적층하지 않고 세라믹 유전체 절연물의 종횡비(aspect ratio)가 2가 되는 구조 즉, 하나의 세라믹 유전체 절연물의 모습으로 가공한 후 사용할 수도 있다.
도 1은 스택, 습식 가스켓, 세라믹 유전체 절연물, 건식 가스켓 및 매니폴드로 이루어지는 종래의 연료전지의 개략적인 사시도이다.
도 2는 상부와 하부에 요철 형상을 가지는 세라믹 유전체 절연물이 적용된 본 발명에 따른 연료전지의 개략적인 단면도이다.
도 3은 상부에 요철 형상을 가지는 세라믹 유전체 절연물이 적용된 본 발명에 따른 연료전지의 개략적인 단면도이다.
도 4는 두 개의 사각 형상의 세라믹 유전체 절연물들의 일면이 일정한 경사각으로 면취된 모서리를 가지고, 당접하여 병렬 배치된 본 발명에 따른 연료전지의 개략적인 단면도이다.
도 5는 두 개의 사각 형상의 세라믹 유전체 절연물들의 양면이 일정한 경사각으로 면취된 모서리를 가지고, 당접하여 병렬 배치된 본 발명에 따른 연료전지의 개략적인 단면도이다.
도 6은 네 개의 사각 형상의 세라믹 유전체 절연물들의 양면이 일정한 경사각으로 면취된 모서리를 가지고, 당접하여 병렬 배치된 본 발명에 따른 연료전지의 개략적인 단면도이다.
도 7은 두 쌍의 사각 형상의 세라믹 유전체 절연물들의 양면이 일정한 경사각으로 면취된 모서리를 가지고, 당접하여 병렬 배치되며, 각 쌍의 세라믹 유전체 절연물 사이에 가스켓이 배치된 본 발명에 따른 연료전지의 개략적인 단면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100: 연료전지 스택의 엔드 플레이트 (End plate)
101: 연료전지의 적층부 102: 전해질 포집 공간
103: 습식 가스켓 104: 세라믹 유전체 절연물
105: 건식 가스켓 106: 연료전지 스택
107: 매니폴드 108: 연료전지 스택 버스바 (최상부)
109: 연료전지 스택 버스바 (최하부)

Claims (7)

  1. 연료전지에서의 전해질의 이동을 차단하고, 포집할 수 있는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세라믹 유전체 절연물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연물은 그 상부에 요철 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세라믹 유전체 절연물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연물은 그 상부 및 하부에 요철 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세라믹 유전체 절연물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연물은 사각형의 형상이고, 그 일면이 일정한 경사각으로 면취된 모서리를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세라믹 유전체 절연물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 절연물은 두 개 이상의 절연물들이 당접하여 병렬 또는 직렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세라믹 유전체 절연물.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 절연물은 두 개 이상의 절연물들이 병렬 배치되고, 상기 절연물들 사이에 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 또는 직렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세라믹 유전체 절연물.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 따른 세라믹 유전체 절연물을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
KR1020080137525A 2008-12-30 2008-12-30 연료전지용 세라믹 유전체 절연물 KR101105016B1 (ko)

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