KR20110012050A - 다중원통지지체를 구비한 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 다중원통지지체를 구비한 연료전지는 동심에 위치하고 직경이 다른 다수의 원통지지체로 구성된 다중원통지지체, 다수의 원통지지체 중 최내각의 원통지지체에서 최외각의 원통지지체까지 연장된 연결지지체, 및 다중원통지지체 또는 연결지지체에 형성된 막전극 접합체를 포함하여 구성되며, 원통지지체가 다중으로 형성되므로 반응면적이 넓어져 연료전지의 효율이 올라가고, 결국 발전단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.
연료전지, 다중원통지지체, 연결지지체, 전극막 접합체, 연료극, 공기극

Description

다중원통지지체를 구비한 연료전지{Fuel cell having multi-tubular support}
본 발명은 다중원통지지체를 구비한 연료전지에 관한 것이다.
연료전지란 연료(수소, LNG, LPG 등)와 공기의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 기존의 발전기술이 연료의 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 발전기 구동 과정을 취하는 것과 달리 연소 과정이나 구동 장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경문제를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이다.
도 1은 연료전지의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료극(1)은 수소(H2)를 공급받아 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분해된다. 수소 이온은 전해질(2)을 거쳐 공기극(3)으로 이동한다. 전자는 외부 회로(4)를 거쳐 전류를 발생시킨다. 그리고 공기극(3)에서 수소 이온과 전자, 그리고 공기 중의 산소가 결합하여 물이 된다. 상술한 연료전지(10)에서의 화학 반응식은 아래의 반응식 1과 같다.
연료극(1): H2 → 2H++ 2e-
공기극(3): 1/2 O2 + 2H++ 2e- → H20
전반응 : H2 + 1/2 O2 → H20
즉, 연료극(1)에서 분리된 전자가 외부 회로를 거쳐 전류를 발생시킴으로써 전지의 기능을 수행하게 된다. 이러한 연료전지(10)는 SOx와 NOx 등의 대기오염물질을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적어 무공해 발전이며, 저소음, 무진동 등의 장점이 있다.
한편, 연료전지는 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC)등 다양한 종류가 있는데, 이 중 고체산화물 연료전지(SOFC)는 고효율 발전이 가능하고, 석탄가스-연료전지-가스터빈 등 복합 발전이 가능하며, 발전용량의 다양성을 갖고 있어서 소형, 대형 발전소 또는 분산형 전원으로 적합하다. 따라서, 고체산화물 연료전지는 향후 수소 경제 사회로의 진입을 위해 필수적인 발전기술이다.
하지만, 고체산화물 연료전지(SOFC)을 실용화하기 위해서는 몇 가지 문제점을 해결해야 한다.
취약한 내구성과 신뢰성이다. 고체산화물 연료전지는 고온에서 작동하므로 열 싸이클에 의한 성능저하가 발생한다. 특히, 세라믹소재의 특성상 그 크기가 증가하면 부품의 내구성과 신뢰성이 급격히 감소하는 경향을 보이는 문제점이 있다.
또한, 비록 상대적으로 저렴한 세라믹 재료를 사용한다고 하지만 여전히 기존 발전방식, 예를 들면 가스터빈이나 디젤 발전기에 비하여 발전단가가 높은 편이다. 발전단가를 낮추는 노력이 활발하게 진행되고 있으나 아직 기존 발전시설에 비해 가격경쟁력이 있는 고체산화물 연료전지를 개발하지 못하고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다중원통지지체를 채용하여 신뢰성과 내구성을 강화하는 동시에 연료전지의 반응면적을 확대하여 발전효율을 높일 수 있는 다중원통지지체를 구비한 연료전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중원통지지체를 구비한 연료전지는 동심에 위치하고 직경이 다른 다수의 원통지지체로 구성된 다중원통지지체, 상기 다수의 원통지지체 중 최내각의 원통지지체에서 최외각의 원통지지체까지 연장된 연결지지체, 및 상기 다중원통지지체 또는 상기 연결지지체에 형성된 막전극 접합체를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 다중원통지지체는, 내부지지체와 상기 내부지지체 외부에 형성된 외부지지체로 구성되고, 상기 연결지지체는, 상기 내부지지체에서 상기 외부지지체까지 연장되며, 상기 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 내면에 형성된 내부 막전극 접합체, 및 상기 외부지지체의 외면에 형성된 외부 막전극 접합체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내부 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 내면으로부터 연료극, 전해질막, 공기극 순으로 적층되고, 상기 외부 막전극 접합체는, 상기 외부지지체 의 외면으로부터 연료극, 전해질막, 공기극 순으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내부 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 내면으로부터 공기극, 전해질막, 연료극 순으로 적층되고, 상기 외부 막전극 접합체는, 상기 외부지지체의 외면으로부터 공기극, 전해질막, 연료극 순으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다중원통지지체는, 내부지지체와 상기 내부지지체 외부에 형성된 외부지지체로 이루어지고, 상기 연결지지체는, 상기 내부지지체에서 상기 외부지지체까지 연장되며, 상기 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 외면과 상기 외부지지체의 내면 및 연결지지체에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 외면과 상기 외부지지체의 내면 및 연결지지체로부터 연료극, 전해질막, 공기극 순으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 외면과 상기 외부지지체의 내면 및 연결지지체로부터 공기극, 전해질막, 연료극 순으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다중원통지지체는, 내부지지체와 상기 내부지지체 외부에 형성된 외부지지체 및 상기 내부지지체와 상기 외부지지체 사이에 형성된 중간지지체로 구성되고, 상기 연결지지체는, 상기 내부지지체에서 상기 중간지지체까지 연장된 제1 연결지지체, 및 상기 중간지지체에서 상기 외부지지체까지 연장된 제2 연결지지체로 구성되고, 상기 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 외면과 상기 중간지지체의 내면 및 제1 연결지지체에 형성된 내부 막전극 접합체, 및 상기 외부지지체의 외면 에 형성된 외부 막전극 접합체로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내부 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 외면과 상기 중간지지체의 내면 및 제1 연결지지체로부터 연료극, 전해질막, 공기극 순으로 적층되고, 상기 외부 막전극 접합체는, 상기 외부지지체의 외면으로부터 연료극, 전해질막, 공기극 순으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내부 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 외면과 상기 중간지지체의 내면 및 제1 연결지지체로부터 공기극, 전해질막, 연료극 순으로 적층되고, 상기 외부 막전극 접합체는, 상기 외부지지체의 외면으로부터 공기극, 전해질막, 연료극 순으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다중원통지지체는, 내부지지체와 상기 내부지지체 외부에 형성된 외부지지체 및 상기 내부지지체와 상기 외부지지체 사이에 형성된 중간지지체로 구성되고, 상기 연결지지체는, 상기 내부지지체에서 상기 중간지지체까지 연장된 제1 연결지지체, 및 상기 중간지지체에서 상기 외부지지체까지 연장된 제2 연결지지체로 구성되고, 상기 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 내면에 형성된 내부 막전극 접합체, 및 상기 중간지지체의 외면과 상기 외부지지체의 내면 및 제2 연결지지체에 형성된 외부 막전극 접합체로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내부 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 내면으로부터 연료극, 전해질막, 공기극 순으로 적층되고, 상기 외부 막전극 접합체는, 상기 중간지지체의 외면과 상기 외부지지체의 내면 및 제2 연결지지체로부터 연료극, 전해질막, 공기극 순으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내부 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 내면으로부터 공기극, 전해질막, 연료극 순으로 적층되고, 상기 외부 막전극 접합체는, 상기 중간지지체의 외면과 상기 외부지지체의 내면 및 제2 연결지지체로부터 공기극, 전해질막, 연료극 순으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다중원통지지체 및 상기 연결지지체는 일체형인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연결지지체는 적어도 2개인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다중원통지지체 또는 상기 연결지지체는 세라믹인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다중원통지지체 또는 상기 연결지지체는 금속인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속은 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다중원통지지체 또는 상기 연결지지체는 다공성 물질인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법 으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 연료전지에 다중원통지지체를 채용함으로써, 종래의 원통지지체보다 안정된 구조로 연료전지를 지지하여 내구성과 신뢰성이 향상하게 된다.
또한, 내구성과 신뢰성이 향상되어 지지체를 좀더 얇은 두께로 제작할 수 있으므로 지지체의 전기적 저항이 감소되어 집전에 유리하고, 반응기체의 확산도가 높아진다.
본 발명에 따르면, 원통지지체가 다중으로 형성되므로 반응면적이 넓어져 연료전지의 효율이 올라가고, 결국 발전단가를 낮출 수 있는 장점이 있다. 또한, 체적당 전력밀도가 높아져 연료전지 시스템 전체의 부피를 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 도면상에 표시된 O2 및 H2는 연료전지의 작동과정을 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐 연료극이나 공기극에 공급되는 기체의 종류를 제한하는 것은 아니다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중원통지지체를 구비한 연료전지의 단면도이다. 이하, 이를 참조하여 본 발명에 따른 연료전지에 대해 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다중원통지지체를 구비한 연료전지는 동심에 위치하고 직경이 다른 다수의 원통지지체로 구성된 다중원통지지체(100), 다수의 원통지지체 중 최내각의 원통지지체에서 최외각의 원통지지체까지 연장된 연결지지체(200), 다중원통지지체(100) 또는 연결지지체(200)에 형성되는 막전극 접합체(membrane electrode assembly)(300)를 포함한다.
다중원통지지체(100)는 막전극 접합체(300)를 지지하는 역할을 하고, 다수의 원통지지체로 구성되므로 종래의 지지체에 비해 동일한 부피일 때 막전극 접합체(300)가 코팅되는 면적이 넓어 연료전지의 효율을 높일 수 있다.
또한, 다중원통지지체(100)는 길이방향의 수직단면을 보았을 때 동심원을 이루며, 다수의 원통지지체 사이는 연결지지체(200)로 연결된다. 본 발명에 따른 연료전지를 제작하기 위해서 직경이 서로 다른 다수의 원통지지체를 동심에 배치한 다중원통지지체(100)를 준비한 후 연결지지체(200)로 연결하는 방식도 가능하지만 압출, 사출, 겔 주조, 슬립주조, 프레스 기술 등을 통해서 다중원통지지체(100)와 연결지지체(200)를 일체형으로 성형하는 것이 바람직하다. 일체형으로 성형함으로써 비용를 줄일 수 있고 지지체의 기계적 강도를 강화할 수 있다. 또한, 일체형으로 성형할 때는 다중원통지지체(100)와 연결지지체(200)의 재료가 같은 것이 바람직하다.
여기서, 다수의 원통지지체는 동심에 위치하는 것이 바람직하지만, 본 발명에서 동심이란 중심이 수학적으로 일치해야 하는 것은 아니고 성형 공정상의 오차가 포함됨은 물론이다.
한편, 연결지지체(200)는 다수의 원통지지체를 연결하는 역할뿐 아니라, 연료전지에 가해지는 기계적 충격을 흡수하는 역할을 하기 때문에 본 발명에 따른 다중원통지지체(100)는 종래의 원통지지체보다 얇게 성형할 수 있다. 따라서, 연료나 공기가 다중원통지지체(100)를 투과하여 보다 빠르게 전극에 도달할 수 있어 연료전지의 효율을 높일 수 있다. 또한, 연결지지체(200)에도 막전극 접합체(300)가 코 팅될 수 있어 연료전지의 반응면적을 더욱 증가시킬 수 있다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 연결지지체(200)는 2개(도 2a), 3개(도 2b) 및 4개(도 2c)로 구성될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 다수의 원통지지체를 안정적으로 연결할 수 있도록 적어도 2개 이상이면 된다. 연결지지체(200)가 많을수록 안정적이지만 너무 많을 경우 유체(공기 또는 가스)가 흐르는 단면적이 좁아져 연료전지의 성능이 떨어질 수 있으므로 연료전지의 용도에 따라 적절한 수의 연결지지체(200)를 채용함이 바람직하다.
한편, 다중원통지지체(100) 또는 연결지지체(200)의 성분은 세라믹 또는 금속인 것이 바람직하다. 또한, 다중원통지지체(100)와 연결지지체(200)는 전술한 바와 같이 일체형으로 성형하는 것이 유리하므로 다중원통지지체(100)와 연결지지체(200)는 동일한 재료로 성형하는 것이 바람직하다. 하지만, 연료전지의 용도, 성형공정, 제작비용 등을 고려하여 필요할 경우 다중원통지지체(100)와 연결지지체(200)의 성분을 다르게 하는 것도 가능하다.
다중원통지지체(100) 또는 연결지지체(200)의 성분이 금속인 경우 필요한 강도 등을 고려하여 금속을 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 전술한 성분들은 도전성이 있어 다중원통지지체(100) 또는 연결지지체(200) 자체를 집전체로 이용할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 다중원통지지체(100) 또는 연결지지체(200)는 매니폴드로부터 연료 또는 공기를 공급받아 전극에 전달할 수 있도록 기체투과성이 있는 다공성 물질을 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 다공성 물질로는 다공성 세라믹 또는 메탈폼(metal foam), 플레이트 또는 메탈파이버(metal fiber) 등의 형상을 갖는 다공성 금속이 이용될 수 있다.
다중원통지지체(100) 또는 연결지지체(200)에 형성되는 막전극 접합체(300)는 연료극(141, 151), 전해질막(143, 153) 및 공기극(145, 155)으로 구성되며, 연료와 공기를 공급받아 전기에너지를 생성하는 역할을 한다. 여기서, 연료극(141, 151), 전해질막(143, 153) 및 공기극(145, 155)을 형성하는 방법을 예시적으로 기술하도록 한다.
공기극(145, 155)은 LSM(Strontium doped Lanthanum manganite), LSCF((La,Sr)(Co,Fe)O3) 등의 조성을 슬립코팅이나 플라즈마 스프레이 코팅법 등을 이용하여 코팅한 후 1200˚C 내지 1300˚C에서 소결하여 형성할 수 있다.
또한, 전해질막(143, 153)은 YSZ(Yttria stabilized Zirconia) 또는 ScSZ(Scandium stabilized Zirconia), GDC, LDC 등을 슬립코팅이나 플라즈마 스프레이 코팅법 등을 이용하여 코팅한 후 1300˚C 내지 1500˚C에서 소결하여 형성할 수 있다.
그리고, 연료극(141, 151)은 NiO-YSZ(Yttria stabilized Zirconia)를 슬립코팅이나 플라즈마 스프레이 코팅법 등을 이용하여 코팅한 후 1200˚C 내지 1300˚C 로 가열하여 형성할 수 있다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 다중원통지지체를 구비한 연료전지의 단면도이다. 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 다중원통지지체(100)를 구비한 연료전지는 내부지지체(110)와 내부지지체(110) 외부에 형성된 외부지지체(120)로 구성된 다중원통지지체(100), 내부지지체(110)에서 외부지지체(120)까지 연장된 연결지지체(200), 내부지지체(110)의 내면에 형성된 내부 막전극 접합체(140) 및 외부지지체(120)의 외면에 형성된 외부 막전극 접합체(150)로 구성된 막전극 접합체(300)를 포함한다.
즉, 본 실시예에서 다중원통지지체(100)는 내부지지체(110)와 외부지지체(120)로 구성된 이중원통지지체이다. 여기서 주의할 점은, 다중원통지지체(100) 및 연결지지체(200)의 모든 면에 막전극 접합체(300)가 형성되면 연료극과 공기극에 적절한 연료 또는 산소의 공급이 불가능하고, 오히려 막전극 접합체(300)가 연료 또는 산소의 확산을 막아 연료전지의 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 막전극 접합체(300)는 연료와 산소의 공급을 고려하여 적절히 배치해야한다. 또한, 합선을 방지하기 위해서 다중원통지지체(100)와 연결지지체(200)에 접하는 전극은 동일한 극이어야 한다.
본 실시예에서는 내부지지체(110)의 내면과 외부지지체(120)의 외면에만 막전극 접합체(300)가 형성되고, 내부지지체(110)의 내면에 형성된 막전극 접합체(300)를 내부 막전극 접합체(140)로 정의하고, 외부지지체(120)의 외면에 형성된 막전극 접합체(300)를 외부 막전극 접합체(150)로 정의한다. 또한, 본 실시예는 연료극과 공기극의 배치를 변경하여 2가지 형태로 제작할 수 있다.
첫번째 경우는, 도 3에 도시된 바와 같이, 내부 막전극 접합체(140)는 내부지지체(110)의 내면으로부터 연료극(141), 전해질막(143), 공기극(145) 순으로 적층되고, 외부 막전극 접합체(150)는 외부지지체(120)의 외면으로부터 연료극(151), 전해질막(153), 공기극(155) 순으로 적층된다. 이때, 내부지지체(110)와 외부지지체(120)에 접하는 전극은 모두 연료극(141, 151)이므로 합선될 우려가 없다. 또한, 내부 막전극 접합체(140)의 최외층은 공기극(145)이므로 내부지지체(110)의 내부에는 산소가 공급되고, 마찬가지로 외부 막전극 접합체(150)의 최외층(여기서, 최외층이란 다중원통지지체(100)의 중심을 기준으로 정의된 것이 아니고 막전극 접합체(300)가 적층되는 순서를 기준으로 한 것이며 후술할 설명에서도 마찬가지이다.)도 공기극(155)이므로 외부지지체(120)의 외부에는 산소가 공급된다. 반면, 연료는 내부지지체(110)와 외부지지체(120) 사이의 공간에 공급되고 내부지지체(110)와 외부지지체(120)를 통해서 연료극(141, 151)에 전달된다.
두번째 경우는, 도 4에 도시된 바와 같이, 내부 막전극 접합체(140)는 내부지지체(110)의 내면으로부터 공기극(145), 전해질막(143), 연료극(141) 순으로 적층되고, 외부 막전극 접합체(150)는 외부지지체(120)의 외면으로부터 공기극(155), 전해질막(153), 연료극(151) 순으로 적층된다. 이 경우는 내부 막전극 접합체(140)의 최외층은 연료극(141)이므로 내부지지체(110)의 내부에는 연료가 공급되고, 마찬가지로 외부 막전극 접합체(150)의 최외층도 연료극(151)이므로 외부지지체(120) 의 외부에는 연료가 공급된다. 반면, 산소는 내부지지체(110)와 외부지지체(120) 사이의 공간에 공급되고 내부지지체(110)와 외부지지체(120)를 통해서 공기극(145, 155)에 전달된다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 다중원통지지체를 구비한 연료전지의 단면도이다. 도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 다중원통지지체(100)를 구비한 연료전지는 내부지지체(110)와 내부지지체(110) 외부에 형성된 외부지지체(120)로 구성된 다중원통지지체(100), 내부지지체(110)에서 외부지지체(120)까지 연장된 연결지지체(200), 내부지지체(110)의 외면과 외부지지체(120)의 내면 및 연결지지체(200)에 형성된 막전극 접합체(300)를 포함한다. 본 실시예에서도 전술한 바와 같이 연료 또는 산소의 적절한 공급, 합선방지를 위해서 막전극 접합체(300)를 내부지지체(110)의 외면과 외부지지체(120)의 내면 및 연결지지체(200)에만 선택적으로 형성해야 하고, 내부지지체(110)와 외부지지체(120) 및 연결지지체(200)에 접하는 전극은 모두 동일해야 한다. 또한, 제1 실시예와 같이 본 실시예는 연료극과 공기극의 배치를 변경하여 2가지 형태로 제작할 수 있다.
첫번째 경우는, 도 5에 도시된 바와 같이, 막전극 접합체(300)는 내부지지체(110)의 외면과 외부지지체(120)의 내면 및 연결지지체(200)로부터 연료극(241), 전해질막(243), 공기극(245) 순으로 적층된다. 이때, 내부지지체(110)와 외부지지체(120) 및 연결지지체(200)에 접하는 전극은 모두 연료극(241)이므로 합선될 우려 가 없다. 또한, 막전극 접합체(300)의 최외층은 공기극(245)이므로 내부지지체(110)와 외부지지체(120) 사이의 공간에는 산소가 공급된다. 반면, 연료는 내부지지체(110)의 내부와 외부지지체(120)의 외부에 공급되고 내부지지체(110), 외부지지체(120) 또는 연결지지체(200)를 통해서 연료극(241)에 전달된다.
두번째 경우는, 도 6에 도시된 바와 같이, 막전극 접합체(300)는 내부지지체(110)의 외면과 외부지지체(120)의 내면 및 연결지지체(200)로부터 공기극(245), 전해질막(243), 연료극(241) 순으로 적층된다. 이때, 내부지지체(110)와 외부지지체(120) 및 연결지지체(200)에 접하는 전극은 모두 공기극(245)이므로 합선될 우려가 없다. 또한, 막전극 접합체(300)의 최외층은 연료극(241)이므로 내부지지체(110)와 외부지지체(120) 사이의 공간에는 연료가 공급된다. 반면, 산소는 내부지지체(110)의 내부와 외부지지체(120)의 외부에 공급되고 내부지지체(110), 외부지지체(120) 또는 연결지지체(200)를 통해서 공기극(245)에 전달된다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 다중원통지지체를 구비한 연료전지의 단면도이다. 도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 다중원통지지체(100)를 구비한 연료전지는 내부지지체(110)와 내부지지체(110) 외부에 형성된 외부지지체(120) 및 내부지지체(110)와 외부지지체(120) 사이에 형성된 중간지지체(130)로 구성된 다중원통지지체(100), 내부지지체(110)에서 중간지지체(130)까지 연장된 제1 연결지지체(210) 및 중간지지체(130)에서 외부지지체(120)까지 연장된 제2 연결지지체(220)로 구성된 연결지 지체(200), 및 내부지지체(110)의 외면과 중간지지체(130)의 내면 및 제1 연결지지체(210)에 형성된 내부 막전극 접합체(340)와 외부지지체(120)의 외면에 형성된 외부 막전극 접합체(350)로 구성된 막전극 접합체(300)를 포함한다.
즉, 본 실시예에서 다중원통지지체(100)는 내부지지체(110)와 외부지지체(120) 및 중간지지체(130)로 구성된 삼중원통지지체이다. 본 실시예에서도 전술한 바와 같이 연료 또는 산소의 적절한 공급, 합선방지를 위해서 막전극 접합체(300)를 선택적으로 형성해야 하고, 내부지지체(110), 외부지지체(120), 중간지지체(130) 및 연결지지체(200)에 접하는 전극은 모두 동일해야 한다.
본 실시예에서는 외부지지체(120)의 외면에 형성된 막전극 접합체(300)를 외부 막전극 접합체(350)로 정의하고, 내부지지체(110)의 외면과 중간지지체(130)의 내면 및 제1 연결지지체(210)에 형성된 막전극 접합체(300)를 내부 막전극 접합체(340)로 정의한다. 또한, 제1 실시예와 같이 본 실시예는 연료극과 공기극의 배치를 변경하여 2가지 형태로 제작할 수 있다.
첫번째 경우는, 도 7에 도시된 바와 같이, 내부 막전극 접합체(340)는 내부지지체(110)의 외면과 중간지지체(130)의 내면 및 제1 연결지지체(210)로부터 연료극(341), 전해질막(343), 공기극(345) 순으로 적층되고, 외부 막전극 접합체(350)는 외부지지체(120)의 외면으로부터 연료극(351), 전해질막(353), 공기극(355) 순으로 적층된다. 이때, 내부지지체(110), 중간지지체(130), 외부지지체(120) 및 제1 연결지지체(210)에 접하는 전극은 모두 연료극(341, 351)이므로 합선될 우려가 없다. 또한, 내부 막전극 접합체(340)의 최외층과 외부 막전극 접합체(350)의 최외층 은 공기극(345, 355)이므로 내부지지체(110)와 중간지지체(130) 사이의 공간 및 외부지지체(120)의 외부에는 산소가 공급된다. 반면, 연료는 외부지지체(120)와 중간지지체(130) 사이의 공간 및 내부지지체(110)의 내부에 공급되고 내부지지체(110), 외부지지체(120), 중간지지체(130) 또는 연결지지체(200)를 통해서 연료극(341, 351)에 전달된다.
두번째 경우는, 도 8에 도시된 바와 같이, 내부 막전극 접합체(340)는 내부지지체(110)의 외면과 중간지지체(130)의 내면 및 제1 연결지지체(210)로부터 공기극(345), 전해질막(343), 연료극(341) 순으로 적층되고, 외부 막전극 접합체(350)는 외부지지체(120)의 외면으로부터 공기극(355), 전해질막(353), 연료극(351) 순으로 적층된다. 이때, 내부지지체(110), 중간지지체(130), 외부지지체(120) 및 제1 연결지지체(210)에 접하는 전극은 모두 공기극(345, 355)이므로 합선될 우려가 없다. 또한, 내부 막전극 접합체(340)의 최외층과 외부 막전극 접합체(350)의 최외층은 연료극(341, 351)이므로 내부지지체(110)와 중간지지체(130) 사이의 공간 및 외부지지체(120)의 외부에는 연료가 공급된다. 반면, 산소는 외부지지체(120)와 중간지지체(130) 사이의 공간 및 내부지지체(110)의 내부에 공급되고 내부지지체(110), 외부지지체(120), 중간지지체(130) 또는 연결지지체(200)를 통해서 공기극(345, 355)에 전달된다.
도 9 내지 도 10은 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 다중원통지지체를 구비한 연료전지의 단면도이다. 도 9 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 다중원통지지체(100)를 구비한 연료전지는 내부지지체(110)와 내부지지체(110) 외부에 형성된 외부지지체(120) 및 내부지지체(110)와 외부지지체(120) 사이에 형성된 중간지지체(130)로 구성된 다중원통지지체(100), 내부지지체(110)에서 중간지지체(130)까지 연장된 제1 연결지지체(210)와 중간지지체(130)에서 외부지지체(120)까지 연장된 제2 연결지지체(220)로 구성된 연결지지체(200), 및 내부지지체(110)의 내면에 형성된 내부 막전극 접합체(440)와 외부지지체(120)의 내면과 중간지지체(130)의 외면 및 제2 연결지지체(220)에 형성된 외부 막전극 접합체(450)로 구성된 막전극 접합체(300)를 포함한다.
본 실시예에서도 전술한 바와 같이 연료 또는 산소의 적절한 공급, 합선방지를 위해서 막전극 접합체(300)를 선택적으로 형성해야 하고, 내부지지체(110)와 외부지지체(120), 중간지지체(130) 및 연결지지체(200)에 접하는 전극은 모두 동일해야 한다.
본 실시예에서는 내부지지체(110)의 내면에 형성된 막전극 접합체(300)를 내부 막전극 접합체(440)로 정의하고, 중간지지체(130)의 외면과 외부지지체(120)의 내면 및 제2 연결지지체(220)에 형성된 막전극 접합체(300)를 외부 막전극 접합체(450)로 정의한다. 또한, 제1 실시예와 같이 본 실시예는 연료극과 공기극의 배치를 변경하여 2가지 형태로 제작할 수 있다.
첫번째 경우는, 도 9에 도시된 바와 같이, 내부 막전극 접합체(440)는 내부지지체(110)의 내면으로부터 연료극(441), 전해질막(443), 공기극(445) 순으로 적층되고, 외부 막전극 접합체(450)는 중간지지체(130)의 외면과 외부지지체(120)의 내면 및 제2 연결지지체(220)로부터 연료극(451), 전해질막(453), 공기극(455) 순으로 적층된다. 이때, 내부지지체(110), 중간지지체(130), 외부지지체(120) 및 제2 연결지지체(220)에 접하는 전극은 모두 연료극(441, 451)이므로 합선될 우려가 없다. 또한, 내부 막전극 접합체(440)의 최외층과 외부 막전극 접합체(450)의 최외층은 공기극(445, 455)이므로 중간지지체(130)와 외부지지체(120) 사이의 공간 및 내부지지체(110)의 내부에는 산소가 공급된다. 반면, 연료는 내부지지체(110)와 중간지지체(130) 사이의 공간 및 외부지지체(120)의 외부에 공급되고 내부지지체(110), 외부지지체(120), 중간지지체(130) 또는 연결지지체(200)를 통해서 연료극(441, 451)에 전달된다.
두번째 경우는, 도 10에 도시된 바와 같이, 내부 막전극 접합체(440)는 내부지지체(110)의 내면으로부터 공기극(445), 전해질막(443), 연료극(441) 순으로 적층되고, 외부 막전극 접합체(450)는 중간지지체(130)의 외면과 외부지지체(120)의 내면 및 제2 연결지지체(220)로부터 공기극(455), 전해질막(453), 연료극(451) 순으로 적층된다. 이때, 내부지지체(110), 중간지지체(130), 외부지지체(120) 및 제2 연결지지체(220)에 접하는 전극은 모두 공기극(445, 455)이므로 합선될 우려가 없다. 또한, 내부 막전극 접합체(440)의 최외층과 외부 막전극 접합체(450)의 최외층은 연료극(441, 451)이므로 중간지지체(130)와 외부지지체(120) 사이의 공간 및 내부지지체(110)의 내부에는 연료가 공급된다. 반면, 산소는 내부지지체(110)와 중간지지체(130) 사이의 공간 및 외부지지체(120)의 외부에 공급되고 내부지지체(110), 외부지지체(120), 중간지지체(130) 또는 연결지지체(200)를 통해서 공기극(445, 455)에 전달된다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 다중원통지지체(100)를 구비한 연료전지는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다. 특히, 전술한 실시예에서는 다중원통지지체(100) 중 가장 기본적인 구조인 이중원통지지체와 삼중원통지지체를 기준으로 설명하였지만, 이에 한정되지 않고 원통지지체가 그 이상으로 겹쳐진 경우에도 본 발명의 권리범위에 포함된다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
도 1은 연료전지의 작동원리를 나타낸 도면;
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중원통지지체를 구비한 연료전지의 단면도;
도 3 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 다중원통지지체를 구비한 연료전지의 단면도;
도 5 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 다중원통지지체를 구비한 연료전지의 단면도;
도 7 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 다중원통지지체를 구비한 연료전지의 단면도; 및
도 9 내지 도 10은 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 다중원통지지체를 구비한 연료전지의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
100: 다중원통지지체 110: 내부지지체
120: 외부지지체 130: 중간지지체
140, 340, 440: 내부 막전극 접합체 150, 350, 450: 외부 막전극 접합체
141, 151, 241, 341, 351, 441, 451: 연료극
143, 153, 243, 343, 353, 443, 453: 전해질막
145, 155, 245, 345, 355, 445, 455: 공기극
200: 연결지지체 210: 제1 연결지지체
220: 제2 연결지지체 300: 막전극 접합체

Claims (19)

  1. 동심에 위치하고 직경이 다른 다수의 원통지지체로 구성된 다중원통지지체;
    상기 다수의 원통지지체 중 최내각의 원통지지체에서 최외각의 원통지지체까지 연장된 연결지지체; 및
    상기 다중원통지지체 또는 상기 연결지지체에 형성된 막전극 접합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 다중원통지지체는, 내부지지체와 상기 내부지지체 외부에 형성된 외부지지체로 구성되고,
    상기 연결지지체는, 상기 내부지지체에서 상기 외부지지체까지 연장되며,
    상기 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 내면에 형성된 내부 막전극 접합체, 및 상기 외부지지체의 외면에 형성된 외부 막전극 접합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 내부 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 내면으로부터 연료극, 전해 질막, 공기극 순으로 적층되고,
    상기 외부 막전극 접합체는, 상기 외부지지체의 외면으로부터 연료극, 전해질막, 공기극 순으로 적층되는 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 내부 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 내면으로부터 공기극, 전해질막, 연료극 순으로 적층되고,
    상기 외부 막전극 접합체는, 상기 외부지지체의 외면으로부터 공기극, 전해질막, 연료극 순으로 적층되는 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 다중원통지지체는, 내부지지체와 상기 내부지지체 외부에 형성된 외부지지체로 이루어지고,
    상기 연결지지체는, 상기 내부지지체에서 상기 외부지지체까지 연장되며,
    상기 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 외면과 상기 외부지지체의 내면 및 연결지지체에 형성되는 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 막전극 접합체는,
    상기 내부지지체의 외면과 상기 외부지지체의 내면 및 연결지지체로부터 연료극, 전해질막, 공기극 순으로 적층되는 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 막전극 접합체는,
    상기 내부지지체의 외면과 상기 외부지지체의 내면 및 연결지지체로부터 공기극, 전해질막, 연료극 순으로 적층되는 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 다중원통지지체는, 내부지지체와 상기 내부지지체 외부에 형성된 외부지지체 및 상기 내부지지체와 상기 외부지지체 사이에 형성된 중간지지체로 구성되고,
    상기 연결지지체는, 상기 내부지지체에서 상기 중간지지체까지 연장된 제1 연결지지체, 및 상기 중간지지체에서 상기 외부지지체까지 연장된 제2 연결지지체로 구성되고,
    상기 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 외면과 상기 중간지지체의 내면 및 제1 연결지지체에 형성된 내부 막전극 접합체, 및 상기 외부지지체의 외면에 형성된 외부 막전극 접합체로 구성되는 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 내부 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 외면과 상기 중간지지체의 내면 및 제1 연결지지체로부터 연료극, 전해질막, 공기극 순으로 적층되고,
    상기 외부 막전극 접합체는, 상기 외부지지체의 외면으로부터 연료극, 전해질막, 공기극 순으로 적층되는 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 내부 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 외면과 상기 중간지지체의 내면 및 제1 연결지지체로부터 공기극, 전해질막, 연료극 순으로 적층되고,
    상기 외부 막전극 접합체는, 상기 외부지지체의 외면으로부터 공기극, 전해질막, 연료극 순으로 적층되는 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 다중원통지지체는, 내부지지체와 상기 내부지지체 외부에 형성된 외부지지체 및 상기 내부지지체와 상기 외부지지체 사이에 형성된 중간지지체로 구성되고,
    상기 연결지지체는, 상기 내부지지체에서 상기 중간지지체까지 연장된 제1 연결지지체, 및 상기 중간지지체에서 상기 외부지지체까지 연장된 제2 연결지지체로 구성되고,
    상기 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 내면에 형성된 내부 막전극 접합체, 및 상기 중간지지체의 외면과 상기 외부지지체의 내면 및 제2 연결지지체에 형성된 외부 막전극 접합체로 구성되는 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 내부 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 내면으로부터 연료극, 전해 질막, 공기극 순으로 적층되고,
    상기 외부 막전극 접합체는, 상기 중간지지체의 외면과 상기 외부지지체의 내면 및 제2 연결지지체로부터 연료극, 전해질막, 공기극 순으로 적층되는 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 내부 막전극 접합체는, 상기 내부지지체의 내면으로부터 공기극, 전해질막, 연료극 순으로 적층되고,
    상기 외부 막전극 접합체는, 상기 중간지지체의 외면과 상기 외부지지체의 내면 및 제2 연결지지체로부터 공기극, 전해질막, 연료극 순으로 적층되는 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 다중원통지지체 및 상기 연결지지체는 일체형인 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 연결지지체는 적어도 2개인 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 다중원통지지체 또는 상기 연결지지체는 세라믹인 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 다중원통지지체 또는 상기 연결지지체는 금속인 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 금속은 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질인 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 다중원통지지체 또는 상기 연결지지체는 다공성 물질인 것을 특징으로 하는 다중원통지지체를 구비한 연료전지.
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