KR20120081780A - 고체산화물 연료전지용 밀봉부재 및 이를 채용한 고체산화물 연료전지 - Google Patents

고체산화물 연료전지용 밀봉부재 및 이를 채용한 고체산화물 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지용 밀봉부재 및 이를 채용한 고체산화물 연료전지에 관한 것으로, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 밀봉부재(100)는 유리시트(100a) 및 유리시트(100a)의 양면에 형성된 마이카(mica)층(100b)을 포함하는 구성이며, 밀봉부재(100)를 유리시트(100a)와 마이카층(100b)으로 형성함으로써, 우수한 기밀성과 접합성, 적절한 유동특성, 높은 전기 비저항을 구현할 수 있는 장점이 있다.

Description

고체산화물 연료전지용 밀봉부재 및 이를 채용한 고체산화물 연료전지{A sealing element for solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell employing the same}
본 발명은 고체산화물 연료전지용 밀봉부재 및 이를 채용한 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
연료전지란 연료(수소, LNG, LPG 등)와 산소(공기)의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 기존의 발전기술이 연료 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 발전기 구동 등의 과정을 거치는 것과 달리 연료전지는 연료 연소나 터빈 구동의 과정이 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 발전이 가능하며, 저소음, 무진동 등의 장점이 존재한다.
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 분극을 바탕으로 한 과전압이 낮고, 비가역적 손실이 적으므로 발전효율이 높다. 또한, 전극에서의 반응속도가 빠르기 때문에 전극 촉매로서 값비싼 귀금속을 필요로 하지 않는다. 따라서, 고체산화물 연료전지는 향후 수소 경제 사회로의 진입을 위해서 필수적인 발전기술이다.
도 10은 고체산화물 연료전지의 발전 원리를 도시한 개념도이다.
도 10을 참조하여 고체산화물 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell)의 기본적인 발전 원리를 살펴보면, 연료가 수소(H2) 또는 일산화탄소(CO)인 경우 연료극(1)과 공기극(2)에서는 하기와 같은 전극반응이 진행된다.
연료극: CO + H2O → H2 + CO2
2H2 + 2O2- → 4e- + 2H2O
공기극: O2 + 4e- → 2O2-
전반응: H2 + CO + O2 → CO2 + H2O
즉, 연료극(1)에서 생성된 전자(e-)는 외부회로(4)를 통해서 공기극(2)으로 전달되고, 동시에 공기극(2)에서 발생한 산소이온(O2-)은 전해질(3)을 통해서 연료극(1)으로 전달된다. 또한, 연료극(1)에서는 수소(H2)가 산소이온(O2-)과 결합되어 전자(e-) 및 물(H2O)이 생성된다. 결국, 고체산화물 연료전지의 전반응은 수소(H2) 또는 일산화탄소(CO)가 연료극(1)에 공급되고 산소가 공기극(2)에 공급되면, 최종적으로 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)이 생성되는 것이다.
전술한 바와 같이, 고체산화물 연료전지는 전기에너지를 생성하기 위해서 공기 또는 수소 등을 공급받아야 한다. 그런데, 공급된 공기 또는 수소가 누출되거나 고체산화물 연료전지의 내부에서 공기와 수소가 서로 혼합되면, 발전효율이 급격하게 떨어지게 되고 수소의 산화반응에 의한 급격한 발전 또는 폭발로 고체산화물 연료전지가 손상될 수 있다. 따라서, 고체산화물 연료전지는 공기 또는 수소가 누출되거나, 공기와 수소가 서로 혼합되는 것을 방지하기 위해서 밀봉부재를 이용한다.
여기서, 밀봉부재는 구체적으로 다음과 같은 조건을 만족해야 한다.
첫째, 밀봉부재는 작동온도에서 공기나 수소 등의 기체가 누출되는 것을 방지하기 위해서, 우수한 기밀성과 접합성을 가져야 한다.
둘째, 밀봉부재는 접합 공정이나 작동 중 고체산화물 연료전지의 구성요소들 사이의 열응력에 의한 크랙 및 파괴를 방지하고, 갑작스런 작동 중지에 따른 열충격을 최소화하기 위해서 고체산화물 연료전지의 구성요소들과 비슷한 열팽창계수를 가져야 한다.
셋째, 밀봉부재는 작동온도에서 구조적으로 안정하고, 흘러내리는 것을 방지하기 위해서 적절한 유동특성을 가져야 한다. 즉, 점도가 너무 낮을 경우(109dPa?s 이하) 구조가 불안정하여 변형이 발생하고, 점도가 너무 높은 경우(1015dPa?s 이상) 기밀성과 접합성이 저하될 수 있으므로, 밀봉부재는 109dPa?s 내지 1015dPa?s의 점도를 갖는 것이 바람직하다.
넷째, 밀봉부재는 고온의 산화/환원 분위기에서 높은 전기 절연성을 가져야 한다. 만약, 밀봉부재에 전류가 흐른다면, 단락(short)이 발생할 수 있다. 따라서, 밀봉부재는 2KΩ?cm 이상의 높은 전기 비저항을 갖는 것이 바람직하다.
다섯째, 밀봉부재는 고온의 산화/환원 분위기에서 분해 또는 증발되지 않고, 화학적으로 안정해야 할 뿐만 아니라, 경제적으로 저렴하고 제조 및 접합공정이 간단해야 한다.
이와 같이, 밀봉부재는 고체산화물 연료전지를 안정적으로 구동시키기 위해서 다양한 조건을 만족하여야 한다. 하지만, 상기 조건을 모두 만족하는 밀봉부재는 아직까지 존재하지 않으며, 그에 따라 고체산화물 연료전지를 실용화하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 우수한 기밀성과 접합성 등 밀봉부재로써 필요한 조건을 만족하는 고체산화물 연료전지용 밀봉부재 및 이를 채용한 고체산화물 연료전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 밀봉부재는 유리시트 및 상기 유리시트의 양면에 형성된 마이카(mica)층을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 유리시트에는 ZnO가 함유된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유리시트는 테이프 캐스팅 공정으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀봉부재를 채용한 평판형 고체산화물 연료전지는 연료극, 전해질 및 공기극이 평판형으로 적층되어 형성되고, 2개 이상이 구비되어 소정간격으로 평행하게 서로 마주보는 평판형 단위전지, 다수의 상기 평판형 단위전지 사이에 각각 배치되고, 상기 평판형 단위전지에 기체가 공급되는 기체통로가 형성된 세퍼레이터, 및 유리시트 및 상기 유리시트의 양면에 형성된 마이카(mica)층으로 구성되고, 상기 평판형 단위전지의 테두리와 상기 세퍼레이터의 테두리 사이에 구비되어 상기 평판형 단위전지와 상기 세퍼레이터를 밀봉시키는 밀봉부재를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 유리시트에는 ZnO가 함유된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유리시트는 테이프 캐스팅 공정으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀봉부재를 채용한 관형 고체산화물 연료전지는 연료극, 전해질 및 공기극이 관형으로 적층되어 형성된 관형 단위전지, 상기 관형 단위전지의 일단에 결합되어 상기 관형 단위전지의 내부에 기체를 공급하는 매니폴드, 및 유리시트 및 상기 유리시트의 양면에 형성된 마이카(mica)층으로 구성되고, 상기 관형 단위전지의 일단과 상기 매니폴드 사이에 구비되어 상기 관형 단위전지와 상기 매니폴드를 밀봉시키는 밀봉부재를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 유리시트에는 ZnO가 함유된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유리시트는 테이프 캐스팅 공정으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 관형 단위전지는 원통형 또는 평관형인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 관형 단위전지는, 관형으로 형성되어 상기 연료극, 상기 전해질 및 상기 공기극을 내부에서 지지하는 금속지지체를 포함하는 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, 밀봉부재를 유리시트와 마이카(mica)층으로 형성함으로써, 우수한 기밀성과 접합성, 적절한 유동특성, 높은 전기 비저항을 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 밀봉부재를 유리시트와 마이카층으로 형성함으로써, 경제적으로 저렴하며 접합공정을 간소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 밀봉부재와 고체산화물 연료전지의 구성요소들 사이에 열팽창계수를 비슷하게 맞춤으로써, 열응력에 의한 크랙 및 파괴를 방지하고, 갑작스런 작동 중지에 따른 열충격을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 밀봉부재의 단면도;
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀봉부재를 채용한 평판형 고체산화물 연료전지의 분해사시도;
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀봉부재를 채용한 평판형 고체산화물 연료전지의 주요부분을 확대한 단면도;
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀봉부재를 채용한 관형 고체산화물 연료전지의 평면도;
도 5 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀봉부재를 채용한 관형 고체산화물 연료전지의 주요부분을 확대한 종단면도;
도 7 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀봉부재를 채용한 관형 고체산화물 연료전지의 주요부분을 확대한 횡단면도; 및
도 10은 고체산화물 연료전지의 발전 원리를 도시한 개념도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
고체산화물 연료전지용 밀봉부재
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 밀봉부재의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 밀봉부재(100)는 유리시트(100a) 및 유리시트(100a)의 양면에 형성된 마이카(mica)층(100b)을 포함하는 구성이다.
상기 유리시트(100a)는 밀봉부재(100)의 지지체 역할을 수행하는 것으로, BaO-SiO2-ZnO계 유리로 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 유리형성제인 SiO2가 열팽창계수가 작으므로, 상대적으로 열팽창계수가 큰 BaO를 포함시킴으로써, 유리시트(100a)의 열팽창계수를 적절하게 구현할 수 있다. 또한, ZnO는 표면장력을 크게하고, 유리의 화학적 내구성을 향상시키는 특성을 갖는다. 특히, ZnO를 함유한 유리시트(100a)는 결정화되면서 여러 종류의 결정상을 생성시킨다. 따라서, BaO와 ZnO를 함유한 유리파우더를 1000℃ 내지 1100℃에서 열처리하면 BaAl2Si2O8, ZnBa2Si2O7, Zn2SiO4 등 여러 결정상으로 이루어진 결정화유리로 전환시킬 수 있다. 한편, BaO와 ZnO를 함유한 유리시트(100a)의 열팽창계수는, 고체산화물 연료전지 구소요소들의 열팽창계수와 유사한 10×10-6/℃ 내지 11×10-6/℃의 값을 가진다. 따라서, 유리시트(100a)를 포함하는 밀봉부재(100)는 고체산화물 연료전지의 구성요소들 사이의 열응력에 의한 크랙 및 파괴를 방지할 수 있고, 갑작스럽게 작동이 중지되도라도 열충격을 최소화시킬 수 있다. 또한, 유리시트(100a)는 2KΩ?cm 이상의 높은 전기 비저항을 가지므로, 고체산화물 연료전지 내부에서 단락(short)가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 한편, 유리시트(100a)는 테이프 캐스팅 공정으로 형성되는 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 마이카층(100b)은 유리시트(100a)의 양면에 형성되어 고체산화물 연료전지의 구성요소들과 접촉하는 것으로, muscovite라고 불리는 Ka12(AlSi3O10)(F-OH)2와 phlogopite라고 불리는 KMg3(AlSi3O10)(OH)2 등으로 구성될 수 있다. 여기서, 마이카층(100b)은 마이카페이스트(mica paste)를 유리시트(100a)에 코팅하여 형성할 수 있다. 만약, 마이카층(100b) 없이 유리시트(100a) 단독으로 밀봉부재(100)를 구성할 경우, 유리시트(100a)는 고체산화물 연료전지 구소요소들과 용융, 부착되어 급냉 또는 반복되는 가열/냉각 사이클에 따라 발생되는 열응력에 의해서 손상이 발생할 수 있다. 게다가, 고체산화물 연료전지의 작동 중 700℃ 이상의 고온에서 장시간 노출되는 경우 유리시트(100a)의 구조가 약화되어 기밀성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 하지만, 본 실시예에 따른 밀봉부재(100)는 유리시트(100a)의 양면에 마이카층(100b)을 형성함으로써, 열응력을 완화하여 유리시트(100a)가 손상되는 것을 방지할 수 있고, 고온에 장시간 노출되더라도 기밀성이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 게다가, 마이카층(100b)으로 인하여 밀봉부재(100)를 고체산화물 연료전지로부터 탈부착하기 쉬워져 성능저하의 문제점을 언제든지 파악할 수 있다.
밀봉부재를 채용한 평판형 고체산화물 연료전지
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀봉부재를 채용한 평판형 고체산화물 연료전지의 분해사시도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀봉부재를 채용한 평판형 고체산화물 연료전지의 주요부분을 확대한 단면도이다.
도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 평판형 고체산화물 연료전지는 연료극(111), 전해질(113) 및 공기극(115)이 평판형으로 적층되어 형성되고, 2개 이상이 구비되어 소정간격으로 평행하게 서로 마주보는 평판형 단위전지(110), 다수의 평판형 단위전지(110) 사이에 각각 배치되고, 평판형 단위전지(110)에 기체가 공급되는 기체통로(125)가 형성된 세퍼레이터(120), 및 유리시트(100a)와 유리시트(100a)의 양면에 형성된 마이카(mica)층(100b)으로 구성되고, 평판형 단위전지(110)의 테두리와 세퍼레이터(120)의 테두리 사이에 구비되어 평판형 단위전지(110)와 세퍼레이터(120)를 밀봉시키는 밀봉부재(100)를 포함하는 구성이다.
상기 평판형 단위전지(110)는 전기에너지를 생성하는 역할을 수행하는 것으로, 연료극(111), 전해질(113), 공기극(115)이 평판형으로 적층되어 형성된다. 또한, 평판형 단위전지(110)는 2개 이상이 구비되어 소정간격으로 연료극(111)과 공기극(115)이 마주보도록 평행하게 배치되고, 2개의 평판형 단위전지(110) 사이에는 세퍼레이터(120)가 배치된다.
여기서, 연료극(111)은 세퍼레이터(120)의 기체통로(125)로부터 연료를 전달받아 전극반응을 통해서 음극 역할을 수행하는 것이다. 이때, 연료극(111)은 산화니켈(NiO)과 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)을 이용하여 형성하는데, 산화니켈이 수소에 의해서 금속니켈로 환원되어 전자 전도성을 발휘하고, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)는 산화물로서 이온 전도성을 발휘한다.
또한, 전해질(113)은 공기극(115)에서 발생한 산소이온을 연료극(111)으로 전달하는 역할을 수행하는 것이다. 여기서, 전해질(113)은 이트리아 안정화 지르코니아 또는 ScSZ(Scandium Stabilized Zirconia), GDC, LDC 등을 소결하여 형성할 수 있다. 이때, 이트리아 안정화 지르코니아는 4가 지르코늄 이온의 일부가 3가의 이트리움 이온으로 대치되어 있으므로 이트리움 이온 2개당 1개의 산소이온 구멍이 내부에 발생하고, 고온에서 상기 구멍을 통해서 산소이온이 이동하게 된다. 또한, 전해질(113)에 기공이 생기면 연료와 산소(공기)가 직접 반응하는 크로스오버(cross over) 현상이 발생하여 효율이 떨어지므로, 흠집이 발생하지 않도록 주의해야 한다.
그리고, 공기극(115)은 세퍼레이터(120)의 기체통로(125)로부터 산소 또는 공기를 전달받아 전극반응을 통해서 양극 역할을 수행하는 것이다. 여기서, 공기극(115)은 전자 전도성이 높은 란탄스트론튬 망가나이트((La0.84 Sr0.16) MnO3) 등을 소결하여 형성할 수 있다. 한편, 공기극(115)에서는 산소가 란탄스트론튬 망가나이트의 촉매작용에 의해서 산소이온으로 전환되어 전해질(113)을 통해서 연료극(111)에 전달되는 것이다.
상기 세퍼레이터(120)는 2개의 평판형 단위전지(110) 사이에 배치되어 연료와 산소(공기)를 격리시키는 역할을 수행할 뿐만 아니라, 평판형 단위전지(110)들을 전기적으로 직렬접속시키는 역할을 수행할 수 있다. 여기서, 평판형 단위전지(110)의 공기극(115)에 접하는 세퍼레이터(120)의 일면은 산화 분위기에 놓이게 되고, 평판형 단위전지(110)의 연료극(111)에 접하는 세퍼레이터(120)의 타면은 환원 분위기에 놓이게 된다. 또한, 세퍼레이터(120)는 평판형 단위전지(110)들을 직렬 접속시키는 역할을 수행하기 위해서 전자전도성이 높고 이온 전도성이 낮은 것이 바람직하다.
상기 밀봉부재(100)는 평판형 단위전지(110)와 세퍼레이터(120)를 밀봉시키는 역할을 수행하는 것으로, 평판형 단위전지(110)의 테두리와 세퍼레이터(120)의 테두리 사이에 구비된다. 여기서, 밀봉부재(100)는 전술한 실시예에서와 같이, 유리시트(100a)와 유리시트(100a)의 양면에 형성된 마이카층(100b)으로 구성되고, 유리시트(100a)에는 ZnO가 첨가될 수 있으며, 테이프 캐스팅 공정으로 유리시트(100a)를 형성할 수 있다. 유리시트(100a)와 마이카층(100b)으로 구성된 밀봉부재(100)를 채용함으로써, 평판형 단위전지(110), 세퍼레이터(120) 등의 열팽창계수와 밀봉부재(100)의 열팽창계수를 유사하게 구현할 수 있다. 따라서, 밀봉부재(100)는 갑작스럽게 작동이 중지되도라도 열충격을 최소화시킬 수 있다. 또한, 밀봉부재(100)는 마이카층(100b)을 포함하므로, 열응력을 완화하여 유리시트(100a)가 손상되는 것을 방지할 수 있고, 고온에 장시간 노출되더라도 밀봉부재(100)의 기밀성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
한편, 도면상 밀봉부재(100)는 세퍼레이터(120)의 기체통로(125)에 평행한 방향으로만 형성되었지만, 이에 한정되는 것은 아니고 평판형 단위전지(110)와 세퍼레이터(120)의 테두리를 완전히 둘러싸도록 구비될 수 있으은 물론이다.
밀봉부재를 채용한 관형 고체산화물 연료전지
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀봉부재를 채용한 관형 고체산화물 연료전지의 평면도이고, 도 5 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀봉부재를 채용한 관형 고체산화물 연료전지의 주요부분을 확대한 종단면도이며, 도 7 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀봉부재를 채용한 관형 고체산화물 연료전지의 주요부분을 확대한 횡단면도이다.
도 4 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 관형 고체산화물 연료전지는 연료극(211), 전해질(213) 및 공기극(215)이 관형으로 적층되어 형성된 관형 단위전지(210), 관형 단위전지(210)의 일단에 결합되어 관형 단위전지(210)의 내부에 기체를 공급하는 매니폴드(220), 및 유리시트(100a)와 유리시트(100a)의 양면에 형성된 마이카(mica)층(100b)으로 구성되고, 관형 단위전지(210)의 일단과 매니폴드(220) 사이에 구비되어 관형 단위전지(210)와 매니폴드(220)를 밀봉시키는 밀봉부재(100)를 포함하는 구성이다.
상기 관형 단위전지(210)는 전기에너지를 생성하는 역할을 수행하는 것으로, 연료극(211), 전해질(213), 공기극(215)이 관형으로 적층되어 형성된다.
여기서, 관형 단위전지(210)의 연료극(211), 전해질(213), 공기극(215)은 관형을 적층된 것을 제외하고, 전술한 평판형 단위전지(110)의 연료극(111), 전해질(113), 공기극(115)과 각각 동일하므로 구체적인 기술은 생략하도록 한다.
한편, 관형 단위전지(210)의 형상는 관형이라면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 원형(도 7 참조) 또는 평관형(도 8 참조)일 수 있다. 또한, 도면상 관형 단위전지(210)는 연료극(211)을 지지체로 이용하는 연료극지지체 방식(도 5 참조)과 공기극(215)을 지지체로 이용하는 공기극지지체 방식(도 6 참조)으로 도시되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 관형 단위전지(210)는 전해질(213)을 지지체로 이용하는 전해질지지체 방식일 수도 있다. 추가적으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 관형으로 형성된 금속지지체(230)를 구비하여, 연료극(211), 전해질(213) 및 공기극(215)을 내부에서 지지할 수 있다.
상기 매니폴드(220)는 관형 단위전지(210)의 일단에 결합되어 관형 단위전지(210) 내부에 기체를 공급하는 역할을 수행한다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 관형 단위전지(210)의 내측에 연료극(211)이 구비되면 매니폴드(220)는 연료를 공급하고, 도 6에 도시된 바와 같이, 관형 단위전지(210)의 내측에 공기극(215)이 구비되면 매니폴드(220)는 공기(산소)를 공급하는 것이다. 한편, 매니폴드(220)는 일반적으로 금속으로 형성되는 반면, 관형 단위전지(210)는 세라믹으로 형성되므로, 양자는 이종재질이다. 따라서, 매니폴드(220)와 관형 단위전지(210)를 기체가 누출되지 않도록 완전히 밀봉하는 것이 용이하지 않다. 하지만, 본 실시예에서는 후술할 밀봉부재(100)를 채용함으로써, 매니폴드(220)와 관형 단위전지(210)를 완전히 밀봉시킬 수 있다.
상기 밀봉부재(100; 도 5 내지 도 6 참조)는 관형 단위전지(210)와 매니폴드(220)를 밀봉시키는 역할을 수행하는 것으로, 관형 단위전지(210)의 일단과 매니폴드(220) 사이에 구비된다. 여기서, 밀봉부재(100)는 전술한 실시예에서와 같이, 유리시트(100a) 및 유리시트(100a)의 양면에 형성된 마이카층(100b)으로 구성되고, 유리시트(100a)에는 ZnO가 첨가될 수 있으며, 테이프 캐스팅 공정으로 유리시트(100a)를 형성할 수 있다. 유리시트(100a)와 마이카층(100b)으로 구성된 밀봉부재(100)를 채용함으로써, 관형 단위전지(210), 매니폴드(220) 등의 열팽창계수와 밀봉부재(100)의 열팽창계수를 유사하게 구현할 수 있다. 따라서, 밀봉부재(100)는 갑작스럽게 작동이 중지되더라도 열충격을 최소화시킬 수 있다. 또한, 밀봉부재(100)는 마이카층(100b)을 포함하므로, 열응력을 완화하여 유리시트(100a)가 손상되는 것을 방지할 수 있고, 고온에 장시간 노출되더라도 기밀성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다. 한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 밀봉부재(100)의 기밀성을 확실히 유지하기 위해서 관형 단위전지(210)와 결합되는 매니폴드(220)의 말단(225)으로 밀봉부재(100)를 완전히 둘러싼후, 나사(227) 등으로 매니폴드(220)의 말단(225)을 조임으로써 밀봉부재(100)를 가압하는 것이 바람직하다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 밀봉부재 및 이를 채용한 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.
100: 밀봉부재 100a: 유리시트
100b: 마이카층 110: 평판형 단위전지
111: 연료극 113: 전해질
115: 공기극 120: 세퍼레이터
125: 기체통로 210: 관형 단위전지
211: 연료극 213: 전해질
215: 공기극 220: 매니폴드
225: 매니폴드의 말단 227: 나사
230: 금속지지체

Claims (11)

  1. 유리시트; 및
    상기 유리시트의 양면에 형성된 마이카(mica)층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 밀봉부재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유리시트에는 ZnO가 함유된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 밀봉부재.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유리시트는 테이프 캐스팅 공정으로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 밀봉부재.
  4. 연료극, 전해질 및 공기극이 평판형으로 적층되어 형성되고, 2개 이상이 구비되어 소정간격으로 평행하게 서로 마주보는 평판형 단위전지;
    다수의 상기 평판형 단위전지 사이에 각각 배치되고, 상기 평판형 단위전지에 기체가 공급되는 기체통로가 형성된 세퍼레이터; 및
    유리시트 및 상기 유리시트의 양면에 형성된 마이카(mica)층으로 구성되고, 상기 평판형 단위전지의 테두리와 상기 세퍼레이터의 테두리 사이에 구비되어 상기 평판형 단위전지와 상기 세퍼레이터를 밀봉시키는 밀봉부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉부재를 채용한 고체산화물 연료전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 유리시트에는 ZnO가 함유된 것을 특징으로 하는 밀봉부재를 채용한 고체산화물 연료전지.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 유리시트는 테이프 캐스팅 공정으로 형성된 것을 특징으로 하는 밀봉부재를 채용한 고체산화물 연료전지.
  7. 연료극, 전해질 및 공기극이 관형으로 적층되어 형성된 관형 단위전지;
    상기 관형 단위전지의 일단에 결합되어 상기 관형 단위전지의 내부에 기체를 공급하는 매니폴드; 및
    유리시트 및 상기 유리시트의 양면에 형성된 마이카(mica)층으로 구성되고, 상기 관형 단위전지의 일단과 상기 매니폴드 사이에 구비되어 상기 관형 단위전지와 상기 매니폴드를 밀봉시키는 밀봉부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉부재를 채용한 고체산화물 연료전지.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 유리시트에는 ZnO가 함유된 것을 특징으로 하는 밀봉부재를 채용한 고체산화물 연료전지.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 유리시트는 테이프 캐스팅 공정으로 형성된 것을 특징으로 하는 밀봉부재를 채용한 고체산화물 연료전지.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 관형 단위전지는 원통형 또는 평관형인 것을 특징으로 하는 밀봉부재를 채용한 고체산화물 연료전지.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 관형 단위전지는, 관형으로 형성되어 상기 연료극, 상기 전해질 및 상기 공기극을 내부에서 지지하는 금속지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉부재를 채용한 고체산화물 연료전지.
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