KR20120097196A - 평관형 고체산화물 셀 스택의 매니폴드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수개의 평관형 단위 셀을 포함하는 셀 스택; 및 세라믹으로 이루어지고 상기 셀 스택에 반응 가스를 공급하는 공급부와 상기 셀 스택의 끝부분이 삽입되는 삽입부를 포함하는 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 평관형 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.

Description

평관형 고체산화물 셀 스택의 매니폴드{MNAIFOLD FOR FLAT-TUBULAR SOLID OXIDE CELL STACK}
본 발명은 평관형 고체산화물 셀 스택의 매니폴드에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 산화물이온 전도 세라믹을 전해질로서 사용하는 완전한 고체상태(solid-state) 장치이다. 그리고, 상기 고체산화물 연료전지는 고효율이고 환경친화적이므로 차세대 청정 에너지원으로 주목 받고 있다.
이러한 고체산화물 연료전지는 형태에 따라 평판형과 원통형으로 크게 분류된다.
상기 평판형 고체산화물 연료전지는 전력밀도, 즉 출력이 높은 장점이 있다. 그러나, 상기 평판형 고체산화물 연료전지는 가스 밀봉 면적이 넓고, 적층시 재료들 사이의 열팽창계수 차이에 의한 열적 쇼크가 발생하고 대면적화가 어려운 단점이 있다.
상기 원통형 고체산화물 연료전지는 열응력에 대한 저항 및 기계적 강도가 상대적으로 높고 압출성형으로 제조할 수 있으며 대면적화가 가능하다는 장점이 있다. 그러나 상기 원통형 고체산화물 연료전지는 전력밀도, 즉 출력이 낮다는 한계를 가지고 있다.
이러한 평판형과 원통형 고체산화물 연료전지의 장점을 도입한 연료전지가 평관형 고체산화물 연료전지이다. 상기 평관형 고체산화물 연료전지는 원통형 고체산화물 연료전지에 비하여 상대적으로 전력밀도, 즉, 출력이 높고 열응력에 대한 저항 및 기계적 강도가 우수하다는 장점이 있다.
한편, 평관형 고체산화물 연료전지는 단위 셀의 조합인 셀 스택과 매니폴드로 구성되는 데, 이때, 단위 셀과 매니폴드를 밀봉하여 애노드와 캐소드를 격리해야 한다. 하지만, 각각의 단위 셀에 각각의 매니폴드를 밀봉하려면, 부품 및 밀봉 부위가 많아지는 단점이 있다. 그리고, 다수개의 매니폴드로 인해 수소, 수증기 등의 반응 가스를 여러 채널을 통하여 공급해야 하는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 한 쌍의 매니폴드로 셀 스택에 반응 가스를 공급할 수 있어, 구조가 단순화된 평관형 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 셀 스택에 포함된 단위 셀의 수가 증가하여도 매니폴드의 수는 증가하지 않는 평관형 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 매니폴드와 셀 스택 사이에 밀봉 부위를 최소화할 수 있는 평관형 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명은 다수개의 평관형 단위 셀을 포함하는 셀 스택; 및 세라믹으로 이루어지고 상기 셀 스택에 반응 가스를 공급하는 공급부와 상기 셀 스택의 끝부분이 삽입되는 삽입부를 포함하는 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 평관형 고체산화물 연료전지를 제공한다.
본 발명의 평관형 고체산화물 연료전지는 한 쌍의 매니폴드로 셀 스택에 반응 가스를 공급할 수 있어, 구조를 단순화시킬 수 있다. 그리고, 구조가 단순화된 효과로 인해, 연료전지의 부피를 최소화할 수 있다. 본 발명의 평관형 고체산화물 연료전지는, 출력을 높이기 위하여, 셀 스택에 포함된 단위 셀의 수가 증가하여도, 매니폴드의 수는 증가하지 않는다. 그리고, 매니폴드의 수가 증가하지 않으므로, 경제적인 효과를 누릴 수 있다. 본 발명의 평관형 고체산화물 연료전지는, 한 쌍의 매니폴드가 필요하므로, 매니폴드와 셀 스택 사이의 밀봉 부위를 최소화할 수 있다. 밀봉 부위 최소화로 인해, 반응 가스 등의 손실을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지의 셀 스택(a)과 매니폴드(b)를 도시한 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지에 포함된 셀 스택(a)에 포함되는 단위셀의 일실시예를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지를 도시한 사진이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지의 셀 스택(a)과 매니폴드(b)를 도시한 사진이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 평관형 고체산화물 연료전지는 셀 스택(a)과 매니폴드(b)를 포함한다.
상기 셀 스택(a)은 다수개의 단위 셀을 포함하는데, 보다 상세하게는 다수개의 단위 셀이 적층된 구조이다. 다수개의 단위 셀은 밀봉재로 밀봉되는데, 밀봉재의 종류는 당 업계에서 이용되는 것이라면, 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 시멘트, 유리 프릿 등을 이용할 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지에 포함되는 셀 스택(a)에 포함되는 단위 셀의 일실시예를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 단위 셀에는, 제1 전극 지지체(111a)의 내부에 제1 반응 가스(수소 또는 탄화수소)가 흐르는 다수의 제1 반응 가스 흐름 채널(112)이 길이 방향을 따라 형성된다. 상기 제1 전극 지지체(111a)의 일측 외부에는 제2 반응 가스(공기 또는 산소)가 흐르는 다수의 제2 반응 가스 흐름 채널(113)이 상기 제1 반응 가스 흐름 채널(112)에 교차되는 방향(제1 전극 지지체의 폭 방향)으로 형성된다. 그리고, 전기를 연결하도록 제2 반응 가스 흐름 채널(113)이 형성된 면의 반대쪽에는 세라믹 도전체(115)가 후술하는 제1 전극 중간층에 코팅된다.
그리고, 상기 단위 셀은, 연료극(음극) 또는 공기극(양극)의 물질을 포함한 다공성의 전도성 재료로 된 제1 전극 지지체(111a)와, 상기 제1 전극 지지체(111a)의 외표면 전부분에 피복된 제1 전극 중간층(111b)과, 상기 세라믹 도전체(115) 부분을 제외하고 상기 제1 전극 중간층(111b)의 외면에 피복된 전해질층(111c)과, 상기 제2 가스흐름 채널(113)이 형성된 부분에 피복된 전해질층(111c)의 외면에 코팅된 제2 전극층(111e)를 포함한다. 상기 제1 전극 지지체(111a)와 제1 전극 중간층(111b)의 전극재료는 NiO-YSZ재(산화니켈-이트리아 안정화 지르코니아 재)가 사용할 수 있다. 그리고, 상기 제2 전극층(111e)의 전극재료는 LSM(LaSrMnO3)가 사용할 수 있다. 그리고, 전해질층(111c)은 YSZ재가 사용될 수 있으나, 다양한 전극재료가 사용될 수 있다.
상기 제1 전극 중간층(111b)과 제2 전극층(111e)은 가스가 확산가능한 다공성으로 형성된다. 그리고, 상기 전해질층(111c)와 세라믹 도전체(115)는 제1 가스와 제2 가스가 상호 혼입되지 않도록 기공이 없는 치밀막으로 형성된다. 상기 다수의 제1 반응 가스 흐름 채널(112)은 그 길이방향 양단이 열려있다. 상기 다수의 제2 반응 가스 흐름 채널(113)은 상기 단위셀(a)의 길이방향 중간에 단위셀(a)의 폭 방향으로 형성된다.
그리고, 상기 단위셀에는 링형태의 밀봉홈(116)이 형성되어 있고, 상기 밀봉홈(116)에는 밀봉재(150)가 삽입되어, 단위셀 사이의 가스의 누설을 방지한다.
도 2에 도시된 단위셀은 하나의 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 단위셀이 이에 한정되는 것은 아니다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 매니폴드(b)는 세라믹으로 이루어지고, 상기 셀 스택(a)에 반응 가스를 공급하는 공급부(b-1)와 상기 셀 스택(a)의 끝부분이 삽입되는 삽입부(b-1)를 포함한다. 상기 공급부(b-1)의 크기 및 형상은 당 업계에서 이용되는 것이라면 특별히 한정하지 않는다. 그리고, 상기 삽입부(b-1)의 크기 및 형상은 상기 셀 스택(a)이 삽입하는데 무리가 없다면, 특별히 한정하지 않는다.
상기 세라믹은 열 팽창 계수가 스택의 열팽창 계수와 유사하고, 부식의 문제가 없으므로 안정적이다. 그리고, 상기 세라믹은 지르코니아 또는 알루미나로 구성된 것일 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지를 도시한 사진이다.
도 3을 참조하면, 셀 스택(a)의 양 끝부분이 매니폴드(b)의 삽입부에 위치한다. 이때, 상기 셀 스택(a)과 매니폴드(b) 밀봉재에 의해 밀봉될 수 있다. 상기 밀봉재는 당 업계에서 이용되는 것이라면, 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 시멘트, 유리 프릿 등을 이용할 수 있다.
본 발명의 평관형 고체산화물 연료전지는 한 쌍의 매니폴드로 셀 스택에 반응 가스를 공급할 수 있어, 구조를 단순화시킬 수 있다. 그리고, 구조가 단순화된 효과로 인해, 연료전지의 부피를 최소화할 수 있다. 본 발명의 평관형 고체산화물 연료전지는, 출력을 높이기 위하여, 셀 스택에 포함된 단위 셀의 수가 증가하여도, 매니폴드의 수는 증가하지 않는다. 그리고, 매니폴드의 수가 증가하지 않으므로, 경제적인 효과를 누릴 수 있다. 본 발명의 평관형 고체산화물 연료전지는, 한 쌍의 매니폴드가 필요하므로, 매니폴드와 셀 스택 사이의 밀봉 부위를 최소화할 수 있다. 밀봉 부위 최소화로 인해, 반응 가스 등의 손실을 최소화할 수 있다.

Claims (4)

  1. 다수개의 평관형 단위 셀을 포함하는 셀 스택; 및
    세라믹으로 이루어지고 상기 셀 스택에 반응 가스를 공급하는 공급부와 상기 셀 스택의 끝부분이 삽입되는 삽입부를 포함하는 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 평관형 고체산화물 연료전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹은 지르코니아 또는 알루미나로 구성된 것을 특징으로 하는 평관형 고체산화물 연료전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀 스택과 매니폴드는 밀봉재로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 평관형 평관형 고체산화물 연료전지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 밀봉재는 시멘트 또는 유리 프릿인 것을 특징으로 하는 평관형 고체산화물 연료전지.
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