KR20110062882A

KR20110062882A - 고체 산화물 연료 전지

Info

Publication number: KR20110062882A
Application number: KR1020090119737A
Authority: KR
Inventors: 한기문; 최성진
Original assignee: 주식회사 코미코
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2011-06-10

Abstract

고체산화물 연료전지는 연료극, 전해질 및 공기극을 포함한다. 연료극은 표면에 다수의 돌출부가 형성된 원통 형상을 갖는다. 전해질은 연료극 표면의 상부에 배치된다. 공기극은 전해질 상부에 배치된다.

Description

고체 전해질 연료 전지{SOLID OXIDE FUELCELL}

본 발명은 고체산화물 연료 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 튜브형 고체산화물 연료 전지에 관한 것이다.

최근 고체산화물 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 고체산화물 연료전지는 상대적으로 고온에서 작동되는 연료전지로서, 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 다양한 연료를 사용할 수 있다.

고체산화물 연료전지는 공기극과 연료극 사이에 고체산화물 전해질을 게재된 구조를 가지고 있다. 공기극을 통해 제공된 산소 이온은 전해질을 통과하여 연료극을 통해 제공된 수소 이온과 만나게 되는데, 이때 일어나는 전기화학적 반응을 이용하여 고체산화물 연료전지는 전류를 생성한다.

고체산화물 연료전지는 그 형태에 따라 평판형 고체산화물 연료전지와 튜브형 고체산화물 연료전지로 분류될 수 있다.

튜브형 고체산화물 연료전지는 연료극, 공기극 및 전해질이 튜브 형상으로 적층된 구조를 갖는데, 기계적 강도가 취약하고, 산소 이온과 수소 이온이 만나는 반응 영역이 좁은 문제점이 있다.

이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에 착안한 것으로, 본 발명의 목적은 향상된 기계적 강도를 가질 뿐만 아니라, 넓은 반응영역 면적을 가지는 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는 연료극, 전해질 및 공기극을 포함한다. 상기 연료극은 표면에 다수의 돌출부가 형성된 원통 형상을 갖는다. 상기 전해질은 상기 연료극 표면의 상부에 배치된다. 상기 공기극은 상기 전해질 상부에 배치된다.

상기 다수의 돌출부는 상기 연료극의 중심축과 평행한 방향으로 연장되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 다수의 돌출부는 서로 동일한 형상 및 크기를 갖고, 상기 다수의 돌출부의 연장 길이는 상기 연료극의 길이와 동일한 것이 바람직하다. 상기 다수의 돌출부는 다각형, 반원 또는 타원 형상의 단면을 가질 수 있다.

상기 다수의 돌출부 중 적어도 하나는 상기 전해질 및 상기 공기극의 외부로 노출되어 집전부로 기능할 수 있다. 이 경우, 상기 공기극은 상기 집전부로 기능하는 돌출부로부터 이격되어 있는 것이 바람직하다.

이러한 고체산화물 연료전지에 따르면, 고체산화물 연료전지의 기계적 강도와 전기적 성능을 향상시킬 수 있다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 표시 장치의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대 또는 축소하여 도시한 것이다.

본 출원에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하려는 것은 아니다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체산화물 연료전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 라인 I-I'을 따라 절단한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 고체산화물 연료전지(100)는 연료극(110), 전해질(130) 및 공기극(150)을 포함한다.

연료극(110)은 표면에 다수의 돌출부(110a)가 형성된 원통 형상을 갖는다. 연료극(110)의 내부에는 다수의 기공이 형성되어, 연료의 이동 경로를 제공한다.

상기 돌출부들(110)은 동일한 형상 및 동일한 크기를 갖는 것이 바람직하다. 상기 돌출부들(110a)은 원통 형상인 연료극(110)의 중심축과 평행한 방향으로 길게 연장된다. 예를 들면, 상기 돌출부들(110a)의 연장 길이는 상기 연료극(110)의 길이와 동일할 수 있다. 상기 돌출부들(110a)은 서로 소정 간격만큼 이격되어 있다. 예를 들면, 상기 돌출부들(110a)은 서로 동일한 간격으로 이격되어 있으며, 상기 연료극(110)의 중심축에 대해 대칭적으로 배열될 수 있다. 이와 달리, 상기 돌출부들(110a)은 서로 인접할 수 있다. 예를 들면, 서로 인접한 돌출부들(110a)은 접하도록 형성될 수 있다.

상기 돌출부(110a)의 돌출 높이 및 폭은 다양하게 변경될 수 있다.

상기 돌출부(110a)의 단면은 다각형, 반원 또는 타원 형상을 가질 수 있다. 특히, 상기 돌출부(110a)의 단면이 다각형 형상인 경우, 모서리가 라운드지도록 형성하는 것이 바람직하다. 다각형의 모서리 부분은 기계적으로 취약하여 파손될 가능성이 높기 때문이다. 도 1 및 도 2에는 돌출부(110a)의 단면이 라운드진 모서리 를 갖는 직사각형인 것으로 도시되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 돌출부(110a)의 단면은 모서리가 라운드진 이등변 삼각형, 오각형 등의 형상을 가질 수도 있다.

상기 돌출부들(110a)은 상기 연료극(110)과 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 연료극(110)의 형상에 대응되는 몰드를 이용한 압출법에 통해 연료극(110)을 형성할 수 있다. 즉, 상기 돌출부들(110a)이 형성된 연료극(110)의 형상에 대응되는 개구를 가진 몰드에 연료극 물질을 주입/압출하여 상기 돌출부들(110a)을 연료극(110)과 일체로 형성하는 것이다.

상기 돌출부들(110a)에 의해 연료극(110)의 기계적 강도가 보강되어, 고체산화물 연료전지 전체의 내구성을 강화할 수 있다. 또한, 상기 돌출부들(110a)에 의해 연료극(110)과 전해질(130)의 계면 면적이 증가한다. 연료극(110)과 전해질(130)의 계면 면적이 증가하면, 산소 이온과 수소 이온이 반응하는 반응영역이 증가하여, 고체산화물 연료전지의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.

전해질(130)은 다수의 돌출부(110a)가 형성된 연료극(110) 표면에 배치된다. 예를 들면, 전해질(130)은 딥코팅(dip-coating), 페인팅(painting), 스프레이(spray) 방법을 통해 다수의 돌출부(110a)가 형성된 원통 형상의 연료극(110) 표면에 균일한 두께로 형성될 수 있다. 전해질(130)은 이온 전도성이 있는 고체산화물로 형성된다. 예를 들면, 전해질(130)은 이트리아로 안정화된 지르코니아(YSZ)로 형성될 수 있다. 하지만, 본 발명에 있어서, 전해질(130)의 재료가 YSZ로 제한되는 것은 아니며, 이 외에 전해질(130)로 기능할 수 있는 다양한 재료로 전해질(130)이 형성될 수 있다. 이와 같이 다수의 돌출부(110a)가 형성된 연료극(110) 표면에 전해질(130)을 형성할 경우, 돌출부들(110a)에 의해 연료극(110)과 전해질(130)이 접촉하는 면적이 증가하게 된다. 즉, 전해질(130)은 통해 전도된 산소 이온이 연료극(110)을 통해 제공된 수소 이온과 만날 수 있는 반응영역이 증가하게 되고, 그 결과 고체 산화물 연료전지의 발전 성능이 향상되는 것이다.

공기극(150)은 전해질(130) 표면에 배치된다. 예를 들면, 공기극(150)은 딥코팅(dip-coating), 페인팅(painting), 스프레이(spray) 등의 방법을 통해 다수의 돌출부(110a)가 전사된 전해질(130) 표면에 균일한 두께로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는 연료극(110)과 전해질(130) 사이에 배치되는 제1 기능층 및/또는 전해질(130)과 공기극(150) 사이에 배치되는 제2 기능층을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는 공기극(150) 표면 상부에 배치되는 제3 기능층을 더 포함할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 단면도이다. 도 3에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는 다수의 돌출부들 중 적어도 하나가 전해질 및 공기극에 의해 노출된다는 것을 제외하고는 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 실시예와 동일하다. 따라서, 중복된 설명은 생략하고, 그 차이점에 대해서만 설명한다.

도 3을 참조하면, 원통 형상의 연료극(210) 표면에 형성된 다수의 돌출부들(210a) 중 적어도 하나는 전해질(230) 및 공기극(250)에 의해 외부로 노출된다. 외부로 노출된 돌출부(210b)는 연료극(110)에서 생성된 전류를 수집하는 집전기(270)에 연결될 수 있다. 즉, 외부로 노출된 돌출부(210b)는 연료극(210)의 집전부로 기능한다.

집전부로 기능하는 돌출부(210b)의 측면은 전해질(230)에 의해 커버되고, 상면만이 전해질(230)에 의해 노출되는 것이 바람직하다. 전해질(230)에 의해 노출되는 상기 돌출부(210b)의 상면은 집전기(270)에 의해 커버될 수 있다. 이와 같이 전해질(230) 및 집전기(270)로 집전기로 기능하는 돌출부(210b)의 모든 면을 커버함으로써, 별도의 실링이 요구되지 않는다.

공기극(250)은 집전부로 기능하는 돌출부(210b) 및 집전기(270)와 접촉하지 않는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 단면도이다.

도 4를 참조하면, 도 4에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는 인접한 돌출부 사이의 부분이 전해질 및 공기극에 의해 노출된다는 것을 제외하고는 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 제1 실시예와 동일하다. 따라서, 중복된 설명은 생략하고, 그 차이점에 대해서만 설명한다.

돌출부들(310a) 사이의 위치하는 연료극의 표면 부분들 중 적어도 하나(310c)는 전해질(330) 및 공기극(350)에 의해 외부로 노출될 수 있다. 상기 연료극의 노출 부분(310c)은 연료극(310)의 돌출부(310a)와 동일한 방향으로 연장될 수 있다. 연료극의 노출 부분(310c)에는 집전기(370)가 연결된다. 이 경우, 실링을 위하여, 연료극의 노출 부분(310c)은 집전기(370)에 의해 완전히 커버되는 것이 바람 직하다.

공기극(350)은 연료극의 노출 부분(310c) 및 집전기(370)와 접촉하지 않는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예들에 따른 고체산화물 연료전지는 연료극의 표면에 형성된 다수의 돌출부를 포함함으로써, 기계적 강도뿐만 아니라 전기적 성능까지 향상될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체산화물 연료전지를 도시한 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 라인 I-I'을 따라 절단한 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100, 200, 300: 고체산화물 연료전지 110, 210 : 연료극

110a, 210a, 310a : 돌출부 130, 230, 330 : 전해질

150, 250, 350 : 공기극

Claims

표면에 다수의 돌출부가 형성된 원통 형상의 연료극;

상기 연료극 표면의 상부에 배치된 전해질; 및

상기 전해질 상부에 배치된 공기극을 포함하는 고체 산화물 연료전지.
제1항에 있어서, 상기 다수의 돌출부는 상기 연료극의 중심축과 평행한 방향으로 연장된 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지.
제2항에 있어서, 상기 다수의 돌출부는 상기 연료극과 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지.
제2항에 있어서, 상기 다수의 돌출부는 서로 동일한 형상 및 크기를 갖고, 상기 다수의 돌출부의 연장 길이는 상기 연료극의 길이와 동일한 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지.
제4항에 있어서, 상기 다수의 돌출부의 단면은 다각형, 모서리가 라운드진 다각형, 반원 또는 타원 형상인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지.
제2항에 있어서, 상기 다수의 돌출부 중 적어도 하나는 상기 전해질 및 상기 공기극의 외부로 노출되어 집전부로 기능하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지.
제6항에 있어서, 상기 공기극은 상기 집전부로 기능하는 돌출부로부터 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지.
제7항에 있어서, 상기 집전부로 기능하는 돌출부와 접촉하는 집전기를 더 포함하고, 상기 집전기는 상기 전해질에 의해 노출되는 상기 돌출부의 노출 부분을 커버하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지.
제2항에 있어서, 상기 연료극의 표면 중 인접한 상기 돌출부의 사이에 위치하는 부분은 상기 전해질 및 상기 공기극에 의해 노출되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지.
제9항에 있어서, 상기 연료극의 노출 부분에 연결되는 집전기를 더 포함하고, 상기 연료극의 노출 부분은 집전기에 의해 커버되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지.