KR20120007772A - 고체산화물 연료전지 및 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 순차적으로 적층되어 형성된 제1전극, 전해질층 및 제2전극을 포함하는 고체산화물 연료전지 단위셀에 있어서, 상기 제2전극의 외주면에 형성된 복수개의 접촉홈; 및 상기 접촉홈에 안착되어 상기 제2전극과 면접촉을 위한 집전체를 포함하고, 상기 집전체는 상기 단위셀의 중심축에 대하여 대향하여 형성되어 있는 고체산화물 연료전지를 제공한다. 상기 연료전지 단위셀은 집전체를 상호 공유하도록 하는 스택의 스택의 제조가 가능하다.
본 발명에 의하면 집전효율이 보다 향상되고 집전체가 인접셀과 공유되므로써 경제성이 우수한 스택의 제조가 가능하다.

Description

고체산화물 연료전지 및 스택{Solid oxide fuel cell and stack thereof}

본 발명은 고체산화물 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고체산화물 연료전지의 출력효율을 높일 수 있는 연료전지와 연료전지 스택에 관한 것이다.

고체산화물 연료전지는 제1전극, 전해질층 및 제2전극이 순차적으로 적층된 구조로 이루어진다. 상기 제2전극이 공기극일 경우에 공기극의 외주면에는 전류를 인출하기 위한 집전체가 형성될 수 있다. 그러나 상기 집전체는 공기극 외주면에 와이어 형태로 접촉되는 경우에 공기극과 접촉하는 면적이 너무 작아 접촉 저항이 증가될 수 있다. 이와 같이 접촉 저항이 증가되면 전류의 인출시 전력손실이 발생하게 된다. 한편, 이와 같은 집전체로는 은(Ag), 백금(Pt), 니켈(Ni) 등과 같은 전도성이 좋은 귀금속이 사용되는데 이와 같은 전도성이 좋은 귀금속의 경우 연료전지 자체의 제조 원가를 상승시키는 요인이 되고 있다. 따라서 연료전지의 제조에 있어서 집전체의 소요량을 감소시키면서 전력손실이 없는 집전체 구조에 대한 필요성이 대두된다.

본발명은 연료전지 단위셀의 전극과 집전체의 접촉저항을 최소화하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 집전체를 단위셀에 대칭으로 균등하게 배분하여 전류의 집전을 용이하게 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 단위셀의 전극에 있어서 반응 표면적을 증가시키면서 한편으로는 진전체를 인접셀과 공유하도록 하여 복수의 단위셀을 보다 효율적으로 스택으로 제조하기 위한 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일실시예에 의하면 순차적으로 적층되어 형성된 제1전극, 전해질층 및 제2전극을 포함하는 고체산화물 연료전지 단위셀에 있어서, 상기 제2전극의 외주면에 형성된 복수개의 접촉홈; 및 상기 접촉홈에 안착되어 상기 제2전극과 면접촉을 위한 집전체를 포함하고, 상기 집전체는 상기 단위셀의 중심축에 대하여 대향하여 형성되어 있는 고체산화물 연료전지를 제공한다.

본 발명에서 상기 단위셀은 다각형 구조이면서 상기 접촉홈은 상기 제2전극의 각 면에 대칭으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 접촉홈은 반원형태로 형성되고, 상기 집전체는 상기 반원형태의 접촉홈과 면접촉이 가능한 깊이로 안착되어 있다.

본 발명에서 상기 집전체의 횡단면은 원형인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 제1 전극은 연료극이고, 상기 제2 전극은 공기극으로 형성가능하다.

본 발명에서 상기 제1전극 또는 상기 전해질층은 제2전극상에 형성된 접촉홈과 대응하는 위치에 오목홈이 형성된다.

본 발명에서 상기 접촉홈 또는 집전체는 상기 단위셀의 길이방향과 평행한 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시예는 순차적으로 적층되어 형성된 제1전극, 전해질층 및 제2전극과, 상기 제2전극의 외주면상에 형성된 복수개의 접촉홈 및 상기 접촉홈에 안착되어 상기 제2전극과 면접촉을 위한 복수개의 집전체를 구비한 정다각형 구조의 연료전지 단위셀을 복수개 결합하되, 상기 단위셀의 집전체는 단위셀의 중심축에 대하여 대향하여 형성되고, 상기 복수개의 단위셀의 대면하는 접촉홈상에 구비된 집전체가 인접하는 단위셀과 공유되는 고체산화물 연료전지 스택을 제공한다.

본 발명에서 상기 집전체는 인접하는 단위셀의 접촉홈 사이에 위치하여 안착된다.

또한, 본 발명에서 상기 접촉홈은 상기 제2전극의 각 면에 대칭이면서 반원형태로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 상기 집전체는 상기 반원형태의 접촉홈과 면접촉이 가능한 깊이로 안착되어 있다.

또한, 본 발명에서 상기 복수개의 단위셀의 제1전극과 전해질층은 상기 제2전극상에 형성된 접촉홈과 대응하는 위치에 각각 오목홈이 형성된다.

또한, 본 발명에서 상기 단위셀과 상기 스택은 각각 육각형 구조를 이루는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 상기 스택의 중앙에는 공기 통로가 형성되고, 상기 공기통로는 상기 단위셀의 크기와 동일한 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 단위셀의 전극과 집전체의 접촉저항을 최소화되고, 전류의 집전이 용이하여 전체적으로 집전효율이 향상되는 효과를 가진다.

또한, 본 발명은 단위셀의 반응 표면적이 증가되고, 집전체가 인접셀과 공유되어 보다 경제적이고 효율적인 스택의 제조가 가능하다.

도 1은 종래 발명에 따른 연료극 지지체형 단위셀을 나타내는 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 단위셀의 횡단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀의 횡단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스택의 횡단면도.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스택의 횡단면도.

이하 첨부한 도면을 참고 하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 기재한다. 다만, 본 발명은 청구범위에 기재된 범위 안에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 하기에 설명하는 실시예는 표현 여부에 불구하고 예시적인 것에 불과하다.

본 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 아울러, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장될 수 있으며 실제의 층 두께나 크기와 다를 수 있다.

도 1은 고체 산화물 연료전지 중 연료극을 지지체로 하는 원통형태의 연료전지 단위셀을 도시한 것이고 도 2는 도 1에 도시된 단위셀의 횡단면도이다. 상기 도면에 도시된 고체산화물 연료전지 단위셀(1)은 연료극 지지체 구조를 가지는 원통형 단위셀로서 연료극(10), 공기극(20), 이들 사이에 위치하는 전해질층(30)으로 이루어지며, 공기극(20)의 외주면에는 전류를 인출하기 위한 집전체(40)가 구비되어 있다. 그러나, 도 1에 도시된 연료전지 단위셀(1)의 경우 집전체(40)가 공기극(20)으로부터 발생된 전기를 인출하기 위해 공기극(20)과 접촉하는 면적이 너무 작아 접촉 저항이 증가될 수 있다.

또한, 도면에 도시되지 않았으나 집전체가 공기극 외주면에 와이어형태로 나선형으로 권선될 수 있다. 이와 같이 나선형으로 권선되는 경우 역시 공기극과 집전체와의 사이의 접촉면적이 작아 도 1 및 도 2에 도시된 바와 마찬가지로 접촉저항의 문제가 발생할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 단위셀의 횡단면의 모양을 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 단위셀(100)은 다각형 구조로 형성되어 있고 중공을 가진 제1 전극(110), 전해질층(130), 제2 전극(120)이 순차적으로 적층되어 있으며, 제1 전극(110)과 제2 전극(120)을 통해 흐르는 전류를 외부로 인출하기 위한 집전체(140)를 포함한다. 상기 집전체(140)는 전극에서 발생된 전류를 인출하기 위해 제2 전극(120)의 외주면에 접촉되어 있다.

본 실시예에서 이와 같이 단위셀(100)의 구조를 다각형 구조로 형성하는 것은 반응을 위한 전극의 표면적이 더욱 증가될 수 있기 때문이다. 다각형 구조중에서 특히 정육각형 구조가 바람직하나, 이는 전극의 표면적 증가와 집전체의 효율성 제고등 여러가지 요인을 고려하여 취사 선택한다.

한편, 도 3에 도시된 단위셀(100)은 제1 전극(110)을 연료극, 제2 전극(120)을 공기극으로 하는 연료극 지지체식의 구조를 예시한다. 그리고 도 3에서는, 집전체(140)를 단위셀(100)의 종축과 평행하게, 즉 집전체(140)는 단위셀(100)의 길이방항과 평행하게 배치되어 있다. 그러나, 이와 같은 집전체(140)는 단위셀(100)의 종축과 수직하게 형성하는 것도 가능함은 물론이다. 본 실시에에서 상기 집전체(140)는 와이어 형태로서 단면이 원형인 것을 예시하나 각형의 형태를 배제하지 않는다.

한편, 상기 단위셀(100)의 제1전극(110), 전해질층(130), 제2전극(120) 각각의 횡단면은 정 육각형의 내주면 및 외주면 각 변에 반원형상의 홈이 형성된 형태를 보여주고 있다. 상기 반원형상의 홈인 접촉홈(122)은 상기 제2전극의 각 면에 대칭으로 형성되고 상기 각 접촉홈(122)에 집전체(140)가 안착된다. 상기 집전체(140)는 상기 접촉홈(122)과 면접촉이 가능한 범위까지 안착시킬 필요가 있다. 이와 같이 면접촉이 가능한 범위까지 안착될 경우 기존의 선접촉에 비하여 접촉저항이 개선될 수 있다. 또한, 상기 집전체(140)가 상기 단위셀의(100) 중심축에 대하여 대향하여 형성하는 것은 다각형 구조인 단위셀에 있어서 전류의 균등한 배분으로 인한 균일한 전류집전에 더욱 용이하기 때문이다.

한편, 제1전극(110)은 연료가 통과하는 중공을 가지며 단위셀(100)의 지지체 기능을 수행한다. 연료극인 제1전극(110)의 재료로는 금속 니켈과 산화물 이온집전체와의 서멧(cermet), Ni/YSZ등이 사용 가능하다. 여기서 YSZ는 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-Stabilized Zirconia)를 의미하는 것으로 이하에서는 이를 YSZ로 통일하여 사용하기로 한다.

통상 금속 니켈은 높은 전자 도전성을 갖는 동시에 수소와 탄화수소계 연료의 흡착이 일어나 높은 전극 촉매활성을 발휘한다. 또 백금 등에 비해 값이 저렴한 장점이 있다. 본 실시예에 따른 제1전극(110)은 상기 제2전극(120)과 대응하는 위치로서, 상기 접촉홈(122)과 마주하는 영역에 오목형태의 홈이 형성되는 것이 바람직하다. 이는 후술하는 전해질층(130)의 영역에 있어서도 동일한 오목형태의 홈이 형성되는 것이 좋다. 이와 같은 오목홈은 별도의 공정을 통하여 형성되는 것은 아니며, 단위셀(100)의 제1전극, 전해질층, 제2전극의 제조시, 상기 제2전극(120)에 형성된 반원형태의 접촉홈(122)을 형성할 때 함께 형성하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 제1전극(110), 전해질층(130) 및 제2전극의 외주면상에 각각 오목홈 또는 접촉홈이 형성되므로써 전해질층(130)과 접촉하는 제1전극(110)의 표면적이 역시 증가되면서 반응을 촉진시킬 수 있는 구조를 얻을 수 있다.

한편, 제2전극(120)은 전해질층(130)을 사이에 두고 제1전극(110)과 대향하여 위치한다. 본 실시예에 따른 단위셀(100)은 제2전극(120)의 외주면으로 공기가 공급되는 구조를 가지고 있다. 제2전극(120)의 재료로는 페로브스카이트형 산화물 중 촉매능과 전자전도성이 우수한 LSM(LaSrMnO₃)이 사용 가능하다. 산소는 LaMnO₃의 촉매작용에 의해 산소이온으로 전환된다.

한편, 공기극인 제2전극(120)은 상술한 바와 같이 집전체(140)와 접촉하는 외주면의 일부에 형성된 접촉홈(122)을 통해 집전체(140)와 접촉한다. 즉, 상기 접촉홈(122)상에 집전체(140)을 안착시킴으로써 제2전극(120)과 집전체(140) 사이의 접촉면적이 더욱 증가될 수 있다. 따라서 이와 같은 구조는 제2전극(120)으로부터 집전체(140)로의 전류 전달과정에서 접촉 저항을 현저히 감소시키는 것이 가능하다. 또한, 제2전극(120)은 외주면과 공기가 접촉하는 면적도 넓어져 전극반응이 활발해 지는 장점이 있다.

한편, 제2전극(120)의 각 외주면에 단위셀의 길이방향으로 형성된 접촉홈(122)과 상기 접촉홈(122)에 면접촉이 가능한 깊이로 안착되어 형성된 집전체(140)는 상기 제2전극(120)의 중심축에 대하여 대향하여 또는 대칭으로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 대칭구조의 집전체(140)로 인하여 단위셀에 있어서 전류의 균일한 집전이 용이하게 된다. 또한, 이와 같은 대칭구조의 집전체(140)는 후술하는 스택의 제조시 집전체(140)가 인접하는 단위셀과 공유되어 형성하는 것이 가능하게 된다. 스택에서 인접하는 단위셀과 공유되어 형성된 집전체(140)로 인하여 전체적인 집전체의 소요량을 줄일 수 있으며, 스택을 보다 효율적으로 팩킹하여 제조하는 것이 가능하게 된다.

한편, 전해질층(130)은 도 3에 도시된 바와 같이 제1전극(110)과 제2전극(120)의 사이에 위치하며, 되도록이면 얇게 하는 것이 바람직하다. 전해질층(130)의 재료로는 전해질 YSZ가 이용될 수 있다. YSZ를 더욱 상세히 살펴보면 지르코니아(ZrO₂)에 이트리아(Y₂O₃)를 도핑한 것을 의미한다. YSZ는 800~1000℃의 고온에서도 동작하는 전해질로서 보통 지르코니아(ZrO₂)에 이트리아(Y₂O₃)를 3%에서 10% 정도 녹인 것이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스택의 횡단면 모양을 도시한 것으로 도 3에 따른 단위셀(100)이 다수개 집적되어 형성된 스택(200)을 보여준다. 도 4에서는 편의상 3 개의 단위셀(100)만 도시하였으나, 3개 이상 다수개의 단위셀(100)이 집적되어 스택(200)을 이루는 것이 가능하다. 도 4에 도시된 스택(200)의 경우, 3개의 단위셀(100)이 접촉홈(122)을 통하여 총 3개의 집전체(140)를 공유하고 있는 모습을 보여준다. 이와 같이 스택(200)을 이루는 단위셀(100)들이 집전체(140)를 공유함으로써 단위셀(100)로부터 발생된 전류가 이동하는 집전체(140)의 소요량과 전체 길이를 감소시킬 수 있다.

또한, 상기 스택의 각 단위셀에서는 집전체가 대향하여 배치되어 형성되므로써 스택에서 전체적인 전류의 집전이 균일하여 집전효율도 향상되는 효과가 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 일시예에 따른 스택의 횡단면 모양을 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 총 6개의 단위셀(100)로 이루어진 스택(300)은 인접 단위셀(100) 사이에서 6개의 집전체(140)를 공유하고 있다. 또한, 상기 단위셀(100) 자체는 육면체의 다각형 구조이면서 전체적인 스택(300)의 형태 역시 육면체의 다각형 구조를 갖고 있다. 이와 같은 다각형, 특히 정다각형 구조로 단위셀을 형성할 경우 스택의 전체적인 팩킹이 간소해지고 효율적인 스택의 제조가 가능하다. 도 5에는 총 6개의 단위셀이 결합된 스택을 도시하고 있으나, 중앙부에 추가의 단위셀을 더 포함하여 7개의 단위셀이 결합된 스택구조를 형성하는 것도 가능하다. 중앙부에 추가의 단위셀을 구비하지 않은 도 5의 경우에 있어서 상기 스택(300)의 중앙에는 공기가 통과할 수 있는 공기통로(V)가 형성되어 있다. 상기 공기통로는 상기 각 단위셀(100)의 크기와 동일하게 형성될 수 있으며 이와 같은 공기통로(V)로 인하여 전체적인 스택 구조에 있어서 구조 변경 자유도가 향상될 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.

10 : 연료극 20 : 공기극
30 : 전해질층 40 : 집전체
100 : 단위셀 110 : 제1전극
120 : 제2전극 122 : 접촉홈
130 : 전해질층 140 : 집전체
200,300 : 스택

Claims (17)

1. 순차적으로 적층되어 형성된 제1전극, 전해질층 및 제2전극을 포함하는 고체산화물 연료전지 단위셀에 있어서,
   상기 제2전극의 외주면에 형성된 복수개의 접촉홈 및
   상기 접촉홈에 안착되어 상기 제2전극과 면접촉을 위한 집전체를 포함하고, 상기 집전체는 상기 단위셀의 중심축에 대하여 대향하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
2. 제1항에 있어서,
   상기 단위셀은 다각형 구조인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
3. 제2항에 있어서,
   상기 접촉홈은 상기 제2전극의 각 면에 대칭으로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
4. 제2항에 있어서,
   상기 접촉홈은 반원형태로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
5. 제4항에 있어서,
   상기 집전체는 상기 반원형태의 접촉홈과 면접촉이 가능한 깊이로 안착되어 있는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
6. 제5항에 있어서,
   상기 집전체의 횡단면은 원형인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전극은 연료극이고, 상기 제2 전극은 공기극인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
8. 제1항에 있어서,
   상기 접촉홈 또는 집전체는 상기 단위셀의 길이방향과 평행한 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
9. 순차적으로 적층되어 형성된 제1전극, 전해질층 및 제2전극과, 상기 제2전극의 외주면상에 형성된 복수개의 접촉홈 및 상기 접촉홈에 안착되어 상기 제2전극과 면접촉을 위한 집전체를 구비한 정다각형 구조의 연료전지 단위셀을 복수개 결합하되,
   상기 단위셀의 집전체는 단위셀의 중심축에 대하여 대향하여 형성되고, 상기 복수개의 단위셀의 대면하는 접촉홈상에 구비된 집전체가 인접하는 단위셀과 공유되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
10. 제9항에 있어서,
    상기 집전체는 인접하는 단위셀의 접촉홈 사이에 위치하여 안착되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
11. 제9항에 있어서,
    상기 접촉홈은 상기 제2전극의 각 면에 대칭으로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
12. 제9항에 있어서,
    상기 단위셀의 접촉홈은 반원형태로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
13. 제12항에 있어서,
    상기 집전체는 상기 반원형태의 접촉홈과 면접촉이 가능한 깊이로 안착되어 있는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
14. 제9항에 있어서,
    상기 단위셀은 육각형 구조인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
15. 제14항에 있어서,
    상기 스택은 육각형 구조인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
16. 제15항에 있어서,
    상기 스택의 중앙에는 공기 통로가 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
17. 제16항에 있어서,
    상기 공기통로는 상기 단위셀의 크기와 동일한 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.

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