KR20110028943A - 고체산화물 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 세라믹 관형지지체를 구비한 1 이상의 단위전지, 상기 단위전지의 일단 외주면에 형성되어 제1 전류를 집전하는 금속층, 상기 단위전지의 내부에 구비되어 제2 전류를 집전하는 금속폼(foam) 및 상기 단위전지의 일단과 결합하여 상기 금속층에서 집전한 제1 전류를 전달받고, 상기 단위전지의 타단과 결합하여 상기 금속폼에서 집전한 제2 전류를 전달받는 매니폴드를 포함하여 구성되며, 금속폼(foam)과 금속튜브를 채용하여 별도의 내부 집전체가 필요 없고, 금속폼 또는 금속튜브와 매니폴드를 결합하여 매니폴드를 통해 내부전극에서 발생한 전류를 용이하게 집전할 수 있는 효과가 있다.
고체산화물 연료전지, 금속폼, 금속튜브, 금속층, 집전

Description

고체산화물 연료전지{SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 발명은 고체산화물 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. 이러한 연료전지는 SOx와 NOx 등의 대기오염물질을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적어 무공해 발전이며, 저소음, 무진동 등의 장점이 있다.
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 활성화 분극에 바탕한 과전압이 낮고, 비가역적 손실이 적으므로 발전효율이 높다. 또한, 수소뿐만 아니 라 탄소 또는 하이드로 카본계의 연료로 사용할 수 있어 연료 선택폭이 넓으며, 전극에서의 반응속도가 높기 때문에 전극 촉매로서 값비싼 귀금속을 필요로 하지 않는다. 게다가, 발전에 부수하여 배출되는 열은 온도가 매우 높아 이용가치가 높다. 고체산화물 연료전지에서 발생한 열은 연료의 개질에 이용될 뿐만 아니라, 열병합 발전에서 산업용 이나 냉방용 에너지원으로 이용할 수 있다. 따라서, 고체산화물 연료전지는 향후 수소 경제 사회로의 진입을 위해 필수적인 발전기술이다.
고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell; SOFC)의 기본적인 동작원리를 살펴보면, 고체산화물 연료전지는 기본적으로 수소 및 CO의 산화반응으로 발전하는 장치이고, 연료극 및 공기극에서는 아래의 반응식 1과 같은 전극 반응이 진행된다.
연료극: H2 + O2 - → H2O + 2e-
CO + O2 - → CO2 + 2e-
공기극: O2 + 4e- → 2O2 -
전반응: H2 + CO + O2 → H20 + CO2
즉, 전자는 외부 회로를 거쳐 공기극에 도달하고, 동시에 공기극에서 발생한 산소이온이 전해질을 통해서 연료극으로 전달되어 연료극에서는 수소 또는 CO가 산 소이온과 결합하여 전자 및 물 또는 CO2를 생성한다.
전술한 전자의 이동으로 고체산화물 연료전지에서 전류가 생성되는데, 관형 고체산화물 연료전지의 경우 전류를 집전하기 위해서 내부와 외부에 Ni, Ag 와이어 등으로 와이어링 해야한다. 하지만, 와이어링 공정은 복잡하고, 제조단가가 높은 단점이 있다. 특히, 연료전지 내부의 집전은 핸들링이 매우 어려운 문제점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 관형 고체산화물 연료전지의 내부집전 방식을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 관형 고체산화물 연료전지의 내부집전 방식은, 우선 니켈 펠트(Ni felt) 또는 니켈 메쉬(Ni mesh)(11)에 니켈 와이어(12)를 용접한 후 이를 둥그렇게 말아 연료전지의 내부에 삽입할 수 있는 형태로 형성한다. 이렇게 둥그렇게 말아진 니켈 펠트(13)의 외면에 니켈 잉크(14)를 도포한 후 연료전지(15)의 내부에 삽입하여 전류를 집전한다.
하지만, 전술한 방식은 니켈 펠트(11) 등에 니켈 와이어(12)를 용접하는 공정 및 니켈 잉크(14)를 도포하는 공정 등의 번거롭고 복잡한 공정이 요구된다. 또한, 연료전지의 내부에 넣어지는 니켈 펠트(11) 등이 연료전지의 내부전극과 제대로 접촉하였는지 여부를 확인하기 어렵다. 그리고, 니켈 잉크(14)가 일정부분 접촉에 기여하기는 하지만, 단시간에 굳어버리는 니켈 잉크(14)의 특성상 연료전지와 집전체가 완전히 접촉한다고 하기 어렵다. 결국, 종래 기술에 따른 관형 고체산화물 연료전지의 내부집전 방식은 공정의 효율성이 떨어질 뿐 아니라, 완전한 집전을 보장하지 못하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 금속폼(foam)과 금속튜브를 채용함으로써 별도의 집전체 없이 매니폴드를 통해 내부전극에서 발생한 전류를 용이하게 집전할 수 있는 고체산화물 연료전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는 세라믹 관형지지체를 구비한 1 이상의 단위전지, 상기 단위전지의 일단 외주면에 형성되어 제1 전류를 집전하는 금속층, 상기 단위전지의 내부에 구비되어 제2 전류를 집전하는 금속폼(foam) 및 상기 단위전지의 일단과 결합하여 상기 금속층에서 집전한 제1 전류를 전달받고, 상기 단위전지의 타단과 결합하여 상기 금속폼에서 집전한 제2 전류를 전달받는 매니폴드를 포함하여 구성된다.
여기서, 일단이 상기 금속폼의 내주면에 삽입되고 타단이 상기 매니폴드와 연결되어 상기 매니폴드와 상기 금속폼을 전기적으로 연결하는 금속튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속폼은 상기 단위전지의 타단 외주면에 배치되도록 상기 단위전지의 내부로부터 연장된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 매니폴드는 기체공급부와 기체배출부를 포함하고, 상기 단위전지 는 2 이상이며, 상기 단위전지가 병렬연결되도록 상기 단위전지의 일단이 상기 기체공급부에 결합하고 상기 단위전지의 타단이 상기 기체배출부에 결합한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 매니폴드는 기체공급부와 기체배출부를 포함하고, 상기 단위전지는 2 이상이며, 상기 단위전지가 병렬연결되도록 상기 단위전지의 타단이 상기 기체공급부에 결합하고 상기 단위전지의 일단이 상기 기체배출부에 결합한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 매니폴드는 기체공급부, 1 이상의 기체연통부 및 기체배출부를 포함하고, 상기 단위전지는 2 이상이며, 상기 기체공급부에 하나의 단위전지의 일단이 결합하고 상기 기체배출부에 다른 하나의 단위전지의 타단이 결합하며, 각각의 상기 단위전지가 직렬연결되도록 상기 기체연통부는 인접한 2 개의 상기 단위전지의 일단 및 타단과 결합하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 매니폴드는 기체공급부, 1 이상의 기체연통부 및 기체배출부를 포함하고, 상기 단위전지는 2 이상이며, 상기 기체공급부에 하나의 단위전지의 타단이 결합하고 상기 기체배출부에 다른 하나의 단위전지의 일단이 결합하며, 각각의 상기 단위전지가 직렬연결되도록 상기 기체연통부는 인접한 2 개의 상기 단위전지의 일단 및 타단과 결합하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단위전지는, 상기 관형지지체는 연료극 관형지지체이고, 상기 관형지지체의 외주면에 전해질, 공기극 순으로 적층되어 상기 금속층은 양전류를 집전하고 상기 금속폼은 음전류를 집전하며, 상기 매니폴드는, 상기 관형지지체의 내 부에 연료를 공급하는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 단위전지의 타단에 형성된 공기극이 제거되고, 상기 단위전지의 타단과 상기 매니폴드는 금속필러(filler)를 이용한 브레이징(brazing)을 통해 결합된 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 단위전지는, 상기 관형지지체는 공기극 관형지지체이고, 상기 관형지지체의 외주면에 전해질, 연료극 순으로 적층되어 상기 금속층은 음전류를 집전하고 상기 금속폼은 양전류를 집전하며, 상기 매니폴드는, 상기 관형지지체의 내부에 공기 또는 산소를 공급하는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 단위전지의 타단에 형성된 연료극이 제거되고, 상기 단위전지의 타단과 상기 매니폴드는 금속필러(filler)를 이용한 브레이징(braazing)을 통해 결합된 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 단위전지의 일단과 상기 매니폴드는 금속필러(filler)를 이용한 브레이징(brazing)을 통해 결합된 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 금속튜브는 스테인리스스틸(Stainless Steel)로 형성된 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 금속튜브는 다공성물질로 형성된 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 금속튜브는 금속폼의 내주면에 삽입된 타단만 선택적으로 다공성물질로 형성된 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 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면 금속폼(foam)과 금속튜브를 채용하여 별도의 내부 집전체가 필요 없고, 금속폼 또는 금속튜브와 매니폴드를 결합하여 매니폴드를 통해 내부전극에서 발생한 전류를 용이하게 집전할 수 있는 효과가 있다. 또한, 금속폼(foam)은 다공성이므로 연료전지 내부에 공급된 기체(연료 또는 공기)가 내부전극에 용이하게 전달될 수 있고, 금속튜브는 금속폼을 연료전지의 내부전극 방향으로 가압하여 금속폼과 내부전극을 완전히 접촉시킴으로써 집전의 효율을 더욱 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 연료전지의 외부에 금속층을 형성하여 별도의 외부 집전체가 필요 없고, 금속층과 매니폴드를 결합하여 외부전극에서 발생한 전류를 용이하게 집전할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 따르면 다수의 단위전지를 연결한 번들(bundle) 형성시에, 매니폴드를 이용하여 한번에 집전이 가능하고 별도의 단위전지 간 연결공정이 필요 없어 제작공정이 단순화되고 고체산화물 연료전지 번들의 소형화가 가능하다.
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. 또한, "일단", "타단", "제1", "제2", "외부", "내부" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 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.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 연료극 관형지지체(111) 또는 공기극 관형지지체(115) 이용한 연료전지를 기준으로 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 별도의 세라믹지지체를 구비하고 그 외주면에 연료극(117), 전해질(112), 공기극(113)이 적층된 연료전지도 본 발명의 권리범위에 포함된다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 세라믹 관형지지체를 구비한 1 이상의 단위전지(110), 단위전지(110)의 일단 외주면에 형성되어 제1 전류를 집전하는 금속층(120), 단위전지(110)의 내부에 구비되어 제2 전류를 집전하는 금속폼(foam)(130) 및 단위전지의 일단(119)과 결합하여 금속층(120)에서 집전한 제1 전류를 전달받고, 단위전지의 타단(118)과 결합하여 금속폼(130)에서 집전한 제2 전류를 전달받는 매니폴드(140)를 포함하여 구성된다.
본 발명은 1 이상의 단위전지(110)와 매니폴드(140)가 결합하여 구성되므로 우선 하나의 단위전지(110)의 구성에 대해 상세히 살펴본 후, 1 이상의 단위전지(110)와 매니폴드(140)가 결합한 구성을 살펴본다.
도 2 내지 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 단위전지의 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 단위전지(110)는 전류를 생성하는데 필수 구성요소인 연료극 관형지지체(111), 전해질(112), 공기극(113)을 포함하고 있다. 이때, 연료극 관형지지체(111)는 통상 압출 성형을 통해 형성할 수 있고, 연료극 관형지지체(111)의 외주면에 전해질(112)과 공기극(113)을 적층하여 단위전지(110)를 형 성한다. 내측 전극이 연료극이므로 단위전지(110)의 내부에는 매니폴드(140)로부터 연료가 공급되고, 외부는 산화분위기가 조성된다.
또한, 단위전지의 일단(119)과 단위전지의 타단(118)은 각각 매니폴드(140)에 결합되는데, 단위전지의 일단(119)에서는 금속층(120)이 양전류를 매니폴드(140)에 전달하고, 단위전지의 타단(118)에서는 금속폼(130), 금속튜브의 타단(151)이 음전류를 매니폴드(140)에 전달한다. 이때, 단위전지의 타단(118)에서는 금속폼(130)과 금속튜브의 타단(151)을 통해 연료극 관형지지체(111)에서 생성된 음전류가 매니폴드(140)에 전달되므로 공기극(113)에서 생성된 양전류가 단위전지의 타단(118)과 결합된 매니폴드(140)에 전달되면 단락(short)이 발생한다. 따라서, 도시한 바와 같이 단위전지의 타단(118)에 형성된 공기극(113)을 제거하는 것이 바람직하다.
단위전지(110)의 집전을 위한 구성요소들을 더욱 상세히 살펴보면, 단위전지(110)의 내부에는 연료극 관형지지체(111)에서 발생하는 음전류를 집전하는 금속폼(130)과 금속튜브(150)의 일단이 구비된다.
금속폼(130)은 복잡한 공정 없이 일체형으로 형성할 수 있어 단위전지(110)의 내부에 삽입하기가 용이하고, 신축성이 있어 내측 전극과 완전히 접촉되므로 집전효율이 높은 장점이 있다. 또한, 금속폼(130)은 다공성물질로 형성되어 매니폴드(140)에서 공급하는 기체를 내측 전극에 전달할 수 있다. 금속폼(130)은 Ni 및 도핑된 zirconia 시멘트, Ni 도핑된 Ce02 시멘트, Cu 도핑된-ceria cermet, silver-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-oxide 시멘트, silver-(Y-Ba-Cu-O)-oxide 시멘트, silver-합금-(Bi-Sr-Ca-Cu-O)-oxide 시멘트, silver-합금- (YBa-Cu-O)-oxide 시멘트, silver 및 그 합금들, Inconel 강 및 모든 초경합금, ferritic 강, SiC 또는 MoSi2 등으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니고, 전기전도성이 있는 금속 발포체는 모두 포함된다.
금속튜브(150)는 일단이 금속폼(130)의 내주면에 삽입되고 타단(151)이 매니폴드(140)와 연결되어 금속폼(130)에서 집전한 전류를 매니폴드(140)에 전달하는 역할을 한다. 금속튜브(150)는 매니폴드(140)와 일체형으로 제작할 수 있고, 별도를 제작하여 매니폴드(140)와 용접 공정 등을 통해 결합할 수 있다. 금속튜브(150)는 금속폼(130)에서 집전한 전류를 매니폴드(140)에 전달하는 역할을 할 뿐 아니라 금속폼(130)을 내측 전극 방향으로 가압하여 집전효율을 높이는 역할을 할 수 있다. 금속튜브(150)의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 고온에서 가동되는 고체산화물 연료전지의 특성을 고려할 때 우수한 내 고온산화특성, 내열성을 갖는 스테인리스스틸(stainless steel)을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 매니폴드(140)에서 공급하는 기체가 금속폼(130)으로 전달될 수 있도록 다공성물질로 형성하는 것이 바람직하다. 단, 단위전지(110)의 외부로 돌출된 금속튜브의 타단(151)도 다공성물질로 형성한 경우 기체공급효율이 떨어지므로 금속폼(130)의 내주면에 삽입된 일단만 선택적으로 다공성물질로 형성하는 것이 더욱 바람직하다.
단위전지(110)의 외부에는 공기극(113)에서 발생하는 양전류를 집전하는 금속층(metalization)(120)이 구비된다. 금속층(120)은 단위전지의 일단(119)에 구비 되어 매니폴드(140)와 결합되는 것이다. 금속층(120)은 매니폴드(140)와 동일한 금속이므로 브레이징(brazing) 공정이 용이하고, 안정적인 결합이 가능하다. 금속층(120)의 성분은 특별히 한정되는 것은 아니지만 전기전도성이 높은 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질인 것이 바람직하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 단위전지(110)는 전류를 생성하는데 필수 구성요소인 공기극 관형지지체(115), 전해질(112), 연료극(117)을 포함하고 있다. 이때, 공기극 관형지지체(115)는 통상 압출 성형을 통해 형성할 수 있고, 공기극 관형지지체(115)의 외주면에 전해질(112)과 연료극(117)을 적층하여 단위전지(110)를 형성한다. 도 2에 도시된 단위전지(110)와 비교해볼 때 연료극과 공기극의 형성위치가 서로 바뀐 것으로 내측 전극이 공기극이므로 단위전지(110)의 내부에는 매니폴드(140)로부터 공기 또는 산소가 공급되고, 외부는 환원분위기가 조성된다.
또한, 단위전지의 일단(119)에서는 금속층(120)이 음전류를 매니폴드(140)에 전달하고, 단위전지의 타단(118)에서는 금속폼(130), 금속튜브(150)가 양전류를 매니폴드(140)에 전달한다. 이때, 단위전지의 타단(118)에서는 금속폼(130)과 금속튜브(150)를 통해 공기극 관형지지체(115)에서 생성된 양전류가 매니폴드(140)에 전달되므로 연료극(117)에서 생성된 음전류가 단위전지의 타단(118)과 결합된 매니폴드(140)에 전달되면 단락(short)이 발생한다. 따라서, 도시한 바와 같이 단위전지의 타단(118)에 형성된 연료극(117)을 제거하는 것이 바람직하다.
한편, 금속층(120), 금속폼(130) 및 금속튜브(150)의 형성위치와 성분은 도 2에 도시된 단위전지(110)와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 단위전지의 사시도이다.
전술한 실시예와 차이점은 금속튜브(150)의 존재 여부이다. 본 실시예에서는 금속튜브(150)가 존재하지 않아 제조단가를 낮출 수 있으면서도, 금속폼(130)을 단위전지(110)의 내부로부터 연장하여 단위전지의 타단(118) 외주면에 배치함으로써 매니폴드(140)에 전류 전달을 효과적으로 할 수 있다. 도 4에 도시된 단위전지(110)는 연료극 관형지지체(111) 방식이고, 도 5에 도시된 단위전지(110)는 공기극 관형지지체(115) 방식으로 금속튜브(150)를 제외한 나머지 구성요소는 전술한 실예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 단면도이다.
도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 금속층(120), 금속폼(130) 및 금속튜브(150)를 이용하여 집전하는 방식이고, 각각의 단위전지(110)는 매니폴드(140)에 병렬연결된다. 이때, 매니폴드(140)는 기체(연료 또는 공기)를 공급하는 기체공급부(141)와 기체를 배출하는 기체배출부(145)로 나뉘며, 단위전지의 일단(119) 및 단위전지의 타단(118)이 기체공급부(141) 및 기체배출부(145)에 각각 결합된다. 또한, 전술한 바와 같이 단위전지의 일단(119)에서는 금속층(120)이 집전한 전류가 전달되고, 단위전지의 타단(118)에서는 금속폼(130), 금속튜브(150)가 집전한 전류가 전달된다.
단위전지(110)와 매니폴드(140)는 금속필러(fiiller)(147)를 이용한 브레이징(brazing)을 통해 결합된다. 이때, 단위전지의 타단(118)에 형성된 외측 전극(연료극 또는 공기극)을 제거하여 단락을 방지해야 함은 전술한 바와 같다.
도 6에 도시된 고체산화물 연료전지는 연료극 관형지지체(111)를 구비한 단위전지(110)를 매니폴드(140)에 연결하여 집전하는 방식이고, 단위전지의 일단(119)이 기체배출부(145)에 연결되고 단위전지의 타단(118)이 기체공급부(141)에 연결된다. 또한, 연료극 관형지지체(111)를 이용하므로 기체공급부(141)는 단위전지(110)에 연료를 공급하고, 외부에는 산화분위기가 조성된다. 그리고, 내부전극이 연료극이므로 금속폼(130), 금속튜브(150)가 음전류를 집전하여 기체공급부(141)에 전달하고, 외부전극이 공기극(113)이므로 금속층(120)이 양전류를 집전하여 기체배출부(145)에 전달한다. 결국, 기체공급부(141)에서는 음전류를 얻을 수 있고, 기체배출부(145)에서는 양전류를 얻을 수 있다.
도 7에 도시된 고체산화물 연료전지는 연료극 관형지지체(111)를 구비한 단위전지(110)를 매니폴드(140)에 연결하여 집전하는 방식이고, 단위전지의 타단(118)이 기체배출부(145)에 연결되고 단위전지의 일단(119)이 기체공급부(141)에 연결된다. 즉, 도 6에 도시된 고체산화물 연료전지와 비교해 볼 때 기체공급부(141)와 기체배출부(145)의 위치가 서로 바뀐 것으로 기체공급부(141)에서는 양전류를 얻을 수 있고, 기체배출부(145)에서는 음전류를 얻을 수 있다.
도 8에 도시된 고체산화물 연료전지는 공기극 관형지지체(115)를 구비한 단위전지(110)를 매니폴드(140)에 연결하여 집전하는 방식이고, 단위전지의 일단(119)이 기체배출부(145)에 연결되고 단위전지의 타단(118)이 기체공급부(141)에 연결된다. 또한, 공기극 관형지지체(115)를 이용하므로 기체공급부(141)는 단위전지(110)에 공기 또는 산소를 공급하고, 외부에는 환원분위기가 조성된다. 그리고, 내부전극이 공기극이므로 금속폼(130), 금속튜브(150)가 양전류를 집전하여 기체공급부(141)에 전달하고, 외부전극이 연료극(117)이므로 금속층(120)이 음전류를 집전하여 기체배출부(145)에 전달한다. 결국, 기체공급부(141)에서는 양전류를 얻을 수 있고, 기체배출부(145)에서는 음전류를 얻을 수 있다.
도 9에 도시된 고체산화물 연료전지는 공기극 관형지지체(115)를 구비한 단위전지(110)를 매니폴드(140)에 연결하여 집전하는 방식이고, 단위전지의 타단(118)이 기체배출부(145)에 연결되고 단위전지의 일단(119)이 기체공급부(141)에 연결된다. 즉, 도 8에 도시된 고체산화물 연료전지와 비교해 볼 때 기체공급부(141)와 기체배출부(145)의 위치가 서로 바뀐 것으로 기체공급부(141)에서는 음전류를 얻을 수 있고, 기체배출부(145)에서는 양전류를 얻을 수 있다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 단면도이다.
도 10 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 금속층(120), 금속폼(130) 이용하여 집전하는 방식이고, 각각의 단위전지(110)는 매니폴드(140)에 병렬연결된다. 전술한 제1 실시예와 비교해 볼 때, 금속튜브(150)를 사용하지 않는 대신 금속폼(130)을 단위전지(110) 내부로부터 연장하여 단위전지의 타단(118) 외주면에 배치(도 4 및 도 5 참조)하여 금속필러(147)와 최대한 넓은 접촉면적을 갖음으로써 집전효율을 유지한다. 금속튜브(150)를 제외한 나머지 구성요소는 전술한 제1 실시예와 동일하므로 중복된 내용은 생략하기로 한다.
도 10에 도시된 고체산화물 연료전지는 연료극 관형지지체(111)를 구비한 단위전지(110)를 매니폴드(140)에 연결하여 집전하는 방식이고, 단위전지의 일단(119)이 기체배출부(145)에 연결되고 단위전지의 타단(118)이 기체공급부(141)에 연결된다. 또한, 연료극 관형지지체(111)를 이용하므로 기체공급부(141)는 단위전지(110)에 연료를 공급하고, 외부에는 산화분위기가 조성된다. 그리고, 내부전극이 연료극이므로 금속폼(130)이 음전류를 집전하여 기체공급부(141)에 전달하고, 외부전극이 공기극(113)이므로 금속층(120)이 양전류를 집전하여 기체배출부(145)에 전달한다. 결국, 기체공급부(141)에서는 음전류를 얻을 수 있고, 기체배출부(145)에서는 양전류를 얻을 수 있다.
도 11에 도시된 고체산화물 연료전지는 연료극 관형지지체(111)를 구비한 단위전지(110)를 매니폴드(140)에 연결하여 집전하는 방식이고, 단위전지의 타단(118)이 기체배출부(145)에 연결되고 단위전지의 일단(119)이 기체공급부(141)에 연결된다. 즉, 도 10에 도시된 고체산화물 연료전지와 비교해 볼 때 기체공급부(141)와 기체배출부(145)의 위치가 서로 바뀐 것으로 기체공급부(141)에서는 양전류를 얻을 수 있고, 기체배출부(145)에서는 음전류를 얻을 수 있다.
도 12에 도시된 고체산화물 연료전지는 공기극 관형지지체(115)를 구비한 단위전지(110)를 매니폴드(140)에 연결하여 집전하는 방식이고, 단위전지의 일단(119)이 기체배출부(145)에 연결되고 단위전지의 타단(118)이 기체공급부(141)에 연결된다. 또한, 공기극 관형지지체(115)를 이용하므로 기체공급부(141)는 단위전지(110)에 공기 또는 산소를 공급하고, 외부에는 환원분위기가 조성된다. 그리고, 내부전극이 공기극이므로 금속폼(130)이 양전류를 집전하여 기체공급부(141)에 전달하고, 외부전극이 연료극(117)이므로 금속층(120)이 음전류를 집전하여 기체배출부(145)에 전달한다. 결국, 기체공급부(141)에서는 양전류를 얻을 수 있고, 기체배출부(145)에서는 음전류를 얻을 수 있다.
도 13에 도시된 고체산화물 연료전지는 공기극 관형지지체(115)를 구비한 단위전지(110)를 매니폴드(140)에 연결하여 집전하는 방식이고, 단위전지의 타 단(118)이 기체배출부(145)에 연결되고 단위전지의 일단(119)이 기체공급부(141)에 연결된다. 즉, 도 12에 도시된 고체산화물 연료전지와 비교해 볼 때 기체공급부(141)와 기체배출부(145)의 위치가 서로 바뀐 것으로 기체공급부(141)에서는 음전류를 얻을 수 있고, 기체배출부(145)에서는 양전류를 얻을 수 있다.
제1 및 제2 실시예에서 병렬연결된 다수의 단위전지(110)를 기준으로 설명하였지만 본 발명은 이에 한정하는 것은 아니고 하나의 단위전지(single cell)와 매니폴드(140)를 결합하여 집전하는 경우도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 물론이다.
도 14 내지 도 17은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 단면도이다.
본 실시예는 전술한 제1 및 제2 실시예와 달리 다수의 단위전지(110)를 직렬연결한 것이다. 전술한 실시예와 달리 매니폴드(140)는 기체공급부(141)와 기체배출부(145) 외에 기체연통부(143)를 더 포함하고, 각각의 단위전지(110)는 일단과 타단의 방향이 인접한 단위전지(110)와 반대로 배치된다. 여기서, 기체연통부(143)는 인접한 두개의 단위전지(110)의 일단 및 타단이 각각 결합되어 기체(연료 또는 공기)가 두개의 단위전지(110) 사이를 유동할 수 있을 뿐 아니라 인접한 두개의 단위전지(110)를 직렬연결시킨다.
도 14에 도시된 고체산화물 연료전지는 연료극 관형지지체(111)를 구비한 단위전지(110)를 매니폴드(140)에 직렬연결하여 집전하는 방식이다. 다수의 단위전지(110) 중 하나의 단위전지의 타단(118)이 기체공급부(141)에 결합하고, 다른 하나의 단위전지의 일단(119)이 기체배출부(145)에 결합한다. 또한, 인접한 2 개의 단위전지(110)의 일단 및 타단이 기체연통부(143)와 결합하여 각각의 단위전지(110)가 직렬로 연결된다. 내부전극이 연료극 관형지지체(111)이므로 직렬연결된 단위전지(110)의 음전류는 금속폼(130)을 통해 기체공급부(141)에 전달되고, 직렬연결된 단위전지(110)의 양전류는 금속층(120)을 통해 기체배출부(145)에 전달된다. 단위전지(110)가 직렬연결되므로 전류의 크기가 병렬연결된 경우보다 상대적으로 작아 전기저항으로 인한 전력손실량을 감소시킬 수 있다.
한편, 내부전극이 연료극 관형지지체(111)이므로 기체공급부(141)는 하나의 단위전지(110)에 연료를 공급하고, 공급된 연료는 기체연통부(143)를 통해서 인접한 단위전지(110)로 유동하여 최종적으로는 기체배출부(145)를 통해 배출된다.
도 15에 도시된 고체산화물 연료전지는 연료극 관형지지체(111)를 구비한 단위전지(110)를 매니폴드(140)에 직렬연결하여 집전하는 방식으로 도 14에 도시된 고체산화물 연료전지와 비교할 때 기체공급부(141)와 기체배출부(145)의 위치가 서로 바뀐 것이다. 따라서, 직렬연결된 단위전지(110)의 음전류는 금속폼(130)을 통해 기체배출부(145)에 전달되고, 직렬연결된 단위전지(110)의 양전류는 금속층(120)을 통해 기체공급부(141)에 전달된다.
도 16에 도시된 고체산화물 연료전지는 공기극 관형지지체(115)를 구비한 단위전지(110)를 매니폴드(140)에 직렬연결하여 집전하는 방식이다. 다수의 단위전지(110) 중 하나의 단위전지의 타단(118)이 기체공급부(141)에 결합하고, 다른 하나의 단위전지의 일단(119)이 기체배출부(145)에 결합한다. 또한, 인접한 2 개의 단위전지(110)의 일단 및 타단이 기체연통부(143)와 결합하여 각각의 단위전지(110)가 직렬로 연결된다. 내부전극이 공기극 관형지지체(115)이므로 직렬연결된 단위전지(110)의 양전류는 금속폼(130)을 통해 기체공급부(141)에 전달되고, 직렬연결된 단위전지(110)의 음전류는 금속층(120)을 통해 기체배출부(145)에 전달된다.
한편, 내부전극이 공기극 관형지지체(115)이므로 기체공급부(141)는 하나의 단위전지(110)에 공기 또는 산소를 공급하고, 공급된 공기 또는 산소는 기체연통부(143)를 통해서 인접한 단위전지(110)로 유동하여 최종적으로는 기체배출부(145)를 통해 배출된다.
도 17에 도시된 고체산화물 연료전지는 공기극 관형지지체(115)를 구비한 단위전지(110)를 매니폴드(140)에 직렬연결하여 집전하는 방식으로 도 16에 도시된 고체산화물 연료전지와 비교할 때 기체공급부(141)와 기체배출부(145)의 위치가 서로 바뀐 것이다. 따라서, 직렬연결된 단위전지(110)의 양전류는 금속폼(130)을 통해 기체배출부(145)에 전달되고, 직렬연결된 단위전지(110)의 음전류는 금속 층(120)을 통해 기체공급부(141)에 전달된다.
본 실시예에서는 금속폼(130)만을 구비한 단위전지(110)를 도시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니고 금속폼(130)의 내주면에 금속튜브(150)를 삽입하여 단위전지(110)를 직렬연결하는 방식도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 물론이다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 관형 고체산화물 연료전지의 내부집전 방식을 나타낸 도면;
도 2 내지 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 단위전지의 사시도;
도 4 내지 도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 단위전지의 사시도;
도 6 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 단면도;
도 10 내지 도 13은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 단면도; 및
도 14 내지 도 17은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
110: 단위전지 111: 연료극 관형지지체
112: 전해질 113: 공기극
115: 공기극 관형지지체 117: 연료극
118: 단위전지의 타단 119: 단위전지의 일단
120: 금속층 130: 금속폼
140: 매니폴드 141: 기체공급부
143: 기체연통부 145: 기체배출부
147: 금속필러 150: 금속튜브
151: 금속튜브의 타단

Claims (15)

  1. 세라믹 관형지지체를 구비한 1 이상의 단위전지;
    상기 단위전지의 일단 외주면에 형성되어 제1 전류를 집전하는 금속층;
    상기 단위전지의 내부에 구비되어 제2 전류를 집전하는 금속폼(foam); 및
    상기 단위전지의 일단과 결합하여 상기 금속층에서 집전한 제1 전류를 전달받고, 상기 단위전지의 타단과 결합하여 상기 금속폼에서 집전한 제2 전류를 전달받는 매니폴드;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    일단이 상기 금속폼의 내주면에 삽입되고 타단이 상기 매니폴드와 연결되어 상기 매니폴드와 상기 금속폼을 전기적으로 연결하는 금속튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속폼은 상기 단위전지의 타단 외주면에 배치되도록 상기 단위전지의 내부로부터 연장된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 매니폴드는 기체공급부와 기체배출부를 포함하고,
    상기 단위전지는 2 이상이며,
    상기 단위전지가 병렬연결되도록 상기 단위전지의 일단이 상기 기체공급부에 결합하고 상기 단위전지의 타단이 상기 기체배출부에 결합한 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 매니폴드는 기체공급부와 기체배출부를 포함하고,
    상기 단위전지는 2 이상이며,
    상기 단위전지가 병렬연결되도록 상기 단위전지의 타단이 상기 기체공급부에 결합하고 상기 단위전지의 일단이 상기 기체배출부에 결합한 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 매니폴드는 기체공급부, 1 이상의 기체연통부 및 기체배출부를 포함하 고,
    상기 단위전지는 2 이상이며,
    상기 기체공급부에 하나의 단위전지의 일단이 결합하고 상기 기체배출부에 다른 하나의 단위전지의 타단이 결합하며, 각각의 상기 단위전지가 직렬연결되도록 상기 기체연통부는 인접한 2 개의 상기 단위전지의 일단 및 타단과 결합하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 매니폴드는 기체공급부, 1 이상의 기체연통부 및 기체배출부를 포함하고,
    상기 단위전지는 2 이상이며,
    상기 기체공급부에 하나의 단위전지의 타단이 결합하고 상기 기체배출부에 다른 하나의 단위전지의 일단이 결합하며, 각각의 상기 단위전지가 직렬연결되도록 상기 기체연통부는 인접한 2 개의 상기 단위전지의 일단 및 타단과 결합하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위전지는,
    상기 관형지지체는 연료극 관형지지체이고, 상기 관형지지체의 외주면에 전해질, 공기극 순으로 적층되어 상기 금속층은 양전류를 집전하고 상기 금속폼은 음전류를 집전하며,
    상기 매니폴드는,
    상기 관형지지체의 내부에 연료를 공급하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 단위전지의 타단에 형성된 공기극이 제거되고, 상기 단위전지의 타단과 상기 매니폴드는 금속필러(filler)를 이용한 브레이징(brazing)을 통해 결합된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위전지는,
    상기 관형지지체는 공기극 관형지지체이고, 상기 관형지지체의 외주면에 전해질, 연료극 순으로 적층되어 상기 금속층은 음전류를 집전하고 상기 금속폼은 양전류를 집전하며,
    상기 매니폴드는,
    상기 관형지지체의 내부에 공기 또는 산소를 공급하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 단위전지의 타단에 형성된 연료극이 제거되고, 상기 단위전지의 타단과 상기 매니폴드는 금속필러(filler)를 이용한 브레이징(braazing)을 통해 결합된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위전지의 타단과 상기 매니폴드는 금속필러(filler)를 이용한 브레이징(brazing)을 통해 결합된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  13. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속튜브는 스테인리스스틸(Stainless Steel)로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  14. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속튜브는 다공성물질로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  15. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속튜브는 금속폼의 내주면에 삽입된 일단만 선택적으로 다공성물질로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
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