KR20120105343A - 고체산화물 연료전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비대칭 평관형 고체산화물 연료전지에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명에 의한 평관형 연료전지는 제1 전극 지지체, 전해질층, 제2 전극층 및 집전체를 포함한다.
제1 전극 지지체는 평관형으로 형성되고, 내부에 둘 이상의 유로가 형성되도록 구획하는 복수의 패스(path)가 형성되며, 상기 각 패스의 일단이 일면에 모이는 전계집중부가 형성된다. 전해질층은 상기 전계집중부를 제외한 상기 제1 전극 지지체의 외주면을 감싸도록 구비된다. 제2 전극층은 상기 전해질층의 외주면을 감싸도록 구비된다. 집전체는 상기 전계집중부에 접촉하도록 구비되며, 상기 제2전극층과 절연된다.
본 발명에 따르면 전계집중과 전자전달거리의 최소화를 통하여 집전 효율을 최대화 할 수 있다.
제1 전극 지지체는 평관형으로 형성되고, 내부에 둘 이상의 유로가 형성되도록 구획하는 복수의 패스(path)가 형성되며, 상기 각 패스의 일단이 일면에 모이는 전계집중부가 형성된다. 전해질층은 상기 전계집중부를 제외한 상기 제1 전극 지지체의 외주면을 감싸도록 구비된다. 제2 전극층은 상기 전해질층의 외주면을 감싸도록 구비된다. 집전체는 상기 전계집중부에 접촉하도록 구비되며, 상기 제2전극층과 절연된다.
본 발명에 따르면 전계집중과 전자전달거리의 최소화를 통하여 집전 효율을 최대화 할 수 있다.
Description
본 발명은 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
전해질의 종류에 따라 연료전지는 여러 종류로 구분될 수 있다. 이러한 연료전지는 출력범위 및 사용용도 등이 다양하여 목적에 따라 알맞은 연료전지를 선택할 수 있으며, 이 중에서도 고체산화물 연료전지는 상대적으로 전해질의 위치제어가 쉽고, 전해질의 위치가 고정되어 있어서 전해질 고갈의 위험성이 없으며, 부식성이 약하여 소재의 수명이 길다는 장점으로 인하여 분산 발전용, 상업용 및 가정용으로서 각광을 받고 있다.
연료전지는 단위 셀의 형태에 따라 평판형, 평관형 및 튜블라형 등으로 구분할 수 있다. 평관형은 최근 전해질을 지지체로 하는 자립막식과 연료극을 지지체로 하는 평관형에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 발명의 과제는 전계 집중효과를 통하여 집전효율을 향상시킬 수 있는 비대칭 평관형 구조를 갖는 고체산화물 연료전지를 제공하는 데 있다.
동시에 본 발명의 과제는 전자 전달거리를 줄이거나 최소화 함으로써 집전효율을 향상시킬 수 있는 구조를 갖는 고체산화물 연료전지를 제공하는 데 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여,
본 발명의 실시예에서는 실질적으로 평행하게 연장된 제1장변층과 제2장변층을 구비하는 제1전극층; 제1전극 지지체의 내부를 관통하여 연장되고 제1전극 지지체의 내부를 복수의 유로가 형성되도록 구획하는 복수의 연장부; 상기 제1장변층 또는 제2장변층의 중앙부에 인접한 집전체; 상기 제1전극층을 부분적으로 둘러싸도록 형성되는 제2전극층; 및 상기 제1전극층과 제2전극층 사이에 위치하는 전해질층을 포함하되, 상기 복수의 연장부에서 제1연장부는 제2장변층에서 제1장변층의 중앙부로 연장되고, 제2연장부는 제2장변층에서 제1장변층의 중앙부로 연장되는 고체산화물 연료전지를 제공한다.
또한, 본 발명에서 상기 전해질층은 상기 제1전극층에서 제1장변층의 중앙부를 노출된 상태로 형성된다.
또한, 본 발명에서 상기 집전체는 상기 제1전극층 제1장변층의 중앙부와 접촉된다.
또한, 본 발명에서 상기 집전체는 상기 제2전극층을 절연시킨다.
또한, 본 발명에서 상기 제1전극층은 상기 제1장변층과 제2장변층 사이에서 연장되며 서로 대향하여 형성된 제3 단변층 및 제4단변층을 포함한다.
또한, 본 발명에서 상기 유로는 삼각형의 횡단면을 갖고 두개의 유로에 의하여 공유되는 각 연장부와 상기 제3단변층 및 제4단변층은 상기 제1장변층과 제2장변층 사이에서 전자 이동경로를 형성한다.
또한, 본 발명에서 상기 유로는 제1유로, 제2유로 및 제3유로를 포함한다.
또한, 본 발명에서 상기 제1유로는 상기 제2장변층의 제1단부에서 제1코너, 상기 제2장변층의제2단부에서 제2코너 및 상기 제1장변부의 중앙부에서 제3코너를 포함하는 삼각형의 횡단면을 구비한다.
또한, 본 발명에서 상기 제2유로와 제3유로의 각각은 삼각형의 횡단면을 구비하되, 상기 제2유로는 상기 제2장변층의 제1단부에서 제1코너, 상기 제2장변층의제1단부 근처의 제1장변층의 제1단부에서 제2코너 및 상기 제1장변층의 중앙부에서 제3코너를 포함하고, 상기 제3유로는 상기 제2장변층의 제2단부에서 제1코너, 상기 제2장변층의제2단부 근처의 제1장변층의 제2단부에서 제2코너 및 상기 제1장변층의 중앙부에서 제3코너를 포함한다.
또한, 본 발명에서 상기 제1연장부는 상기 제2장변층의 제1단부에서 상기 제1장변층의 중앙부를 향하여 연장되고, 상기 제2연장부는 상기 제2장변층의 제2단부에서 상기 제1장변층의 중앙부를 향하여 연장된다.
또한, 본 발명에서 상기 제2장변층의 중앙부와 상기 제1장변층의 중앙부 사이에서 연장된 보조연장부를 더 포함한다.
또한, 본 발명에서 상기 제2장변층은 상기 제1장변층 보다 길이가 짧게 형성된다.
또한, 본 발명에서 상기 제2장변층에 수직한 방향에서 상기 제2장변층의 일단과 제1장변층 사이에서 연장된 보조연장부를 더 포함한다.
또한, 본 발명에서 상기 집전체는 상기 보조연장부가 제1장변층과 접촉하는 위치에 인접한 위치에서 제1장변층과 접촉된다.
또한, 본 발명에서 상기 제1전극층은 실질적으로 사다리꼴 형태를 갖는다.
본 발명에 의한 비대칭 평관형 연료전지는 전계가 집중되는 구조를 통하여 집전면적을 증가 시키거나 최대화 할 수 있다. 또한 비대칭 형상의 지지체를 구비함으로써 전자전달거리를 줄이거나 최소화할 수 있다.
결과적으로 전계집중과 전자전달거리를 줄이거나최소화할 수 있어 집전 효율을 개선하거나 최대화 할 수 있다.
도 1은 비교예에 의한 대칭 평관형 단위 셀을 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 의한 비대칭 평관형 단위 셀의 모습을 나타내는 횡단면도이다.
도 3은 도 2의 비대칭 평관형 단위 셀에서의 전자의 이동을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 경사진 내부 패스를 구비한 도 1의 대칭 평관형 단위 셀에서의 전자 이동을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 다른 실시예에 의한 비대칭 평관형 단위 셀의 모습을 나타내는 횡단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 의한 비대칭 평관형 단위 셀의 모습을 나타내는 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 비대칭 평관현 단위 셀을 나타내는 횡단면도이다.
도 2는 일 실시예에 의한 비대칭 평관형 단위 셀의 모습을 나타내는 횡단면도이다.
도 3은 도 2의 비대칭 평관형 단위 셀에서의 전자의 이동을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 경사진 내부 패스를 구비한 도 1의 대칭 평관형 단위 셀에서의 전자 이동을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 다른 실시예에 의한 비대칭 평관형 단위 셀의 모습을 나타내는 횡단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 의한 비대칭 평관형 단위 셀의 모습을 나타내는 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 비대칭 평관현 단위 셀을 나타내는 횡단면도이다.
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.
일반적인 연료전지는 연료를 개질하여 공급하는 연료변환기(개질기 및 반응기)와 연료전지 모듈로 구성된다. 여기서 연료전지 모듈은 화학적 에너지를 전기화학적인 방법으로 전기에너지와 열에너지로 전환하는 연료전지 스택을 포함한 어셈블리(assembly)을 말한다. 즉 연료전지 모듈은 연료전지 스택; 연료, 산화물, 냉각수, 배출물 등이 이동하는 배관 시스템; 스택에 의해 생산된 전기가 이동하는 배선; 스택의 제어 혹은 모니터링을 위한 부분; 스택의 이상상태 발생시 조치를 위한 부분 등을 포함한다.
본 발명은 단위 셀 특히 평관형 단위 셀의 구조에 관한 것이다. 이하 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.
<비교예 1>
도 1을 참조하여 먼저 비교예 1에 의한 평관형 단위 셀에 대하여 설명한다. 도 1은 비교예에 의한 대칭 평관형 단위 셀을 나타내는 개략적인 사시도이다.
비교예에 의한 평관형 단위 셀(100)은 제1전극층을 포함한 제1 전극 지지체(110), 전해질층(120), 제2 전극층(130) 및 집전체(140)가 구비된다.
제1 전극 지지체(110)는 평관형 단위 셀(100)의 골격을 형성하고 형상을 유지하는 구성이다. 제1 전극 지지체(100)는 편평한 튜브 형상으로 형성된다. 이 때 제조상의 편이성 및 구조적 안정성을 위하여 장변층은 편평하게 단변은 대략 일정한 곡률을 갖도록 형성하는 것이 일반적이다.
제1전극 지지체(110)는 전자가 전달되는 경로(또는 패스)로서 작용한다. 제1 전극 지지체(110)의 내부는 둘 이상의 공간으로 구획하여 복수의 유로(112)가 튜브의 길이방향을 따라 연장되어 형성된다. 이 때 제1 전극 지지체(110) 내부의 각 유로 사이에 구비된 전자 이동경로를 내부패스(111)라 칭한다. 내부패스(111)는 도 1에 도시된 바와 같이 제1 전극 지지체(110)의 길이 방향(또는 길이)을 따라 마주 보는 두 장변층을 연결하도록 형성되는 것으로 볼 수 있다. 한편 상기 내부패스(111)를 제외한 제1전극 지지체(110)의 전자의 전달 경로를 외부패스로 정의 한다.
단위 셀은 제1전극 지지체의 극성에 따라 연료극 지지체식이나 공기극 지지체식으로 형성될 수 있다. 본 발명에 있어서는 연료극 지지체식이나 공기극 지지체식 등 그 타입에 의하여 한정되지 않는다. 즉, 제1 전극 지지체(110)는 연료극일 수도 있고 공기극일 수도 있다. 또한 제1 전극 지지체(110)는 연료극일때 후술할 제2 전극층(130)은 공기극일 수있다. 다만 필요한 경우 설명의 편의를 위하여 이하 각 비교예 및 실시예에서는 연료극 지지체식인 경우, 즉 제1 전극 지지체(110)가 연료극인 것으로 가정하여 설명한다. 그러나 각 비교예와 실시예는 공기극 지지체인 경우에도 동일하게 적용가능하다.
단위 셀의 장변층에는 집전체(140)가 구비된다. 집전체(140)는 장변층의 중앙부 외표면에 길이방향을 따라 형성되며, 상술한 각 내부패스(111)가 연결된 지점까지 커버되도록 형성된다. 집전체(140)는 상술한 제1 전극 지지체(110)로부터 전달되는 전자를 전달받아 외부 회로 등에 전달하는 역할을 한다.
전해질층(120)은 제1 전극 지지체(110)의 외주면 중 집전체(140)가 접촉되는 부분을 제외한 제1전극 지지체(11) 부분을 감싸도록 구비된다. 전해질층(120)은 연료극과 공기극 사이에서 산소이온 및 수소이온의 이동로 역할을 한다. (즉 제1전극 지지체(11)과 제2전극층(130) 사이)
제2 전극층(130)은 전해질층(120)의 외주면을 감싸도록 구비되며, 집전체(140)와 절연되도록 구비된다. 제2 전극층(130)은 집전체(140)와의 절연을 위하여 공간적으로 이격되도록 구비되거나, 집전체(140)와의 사이에 절연체(미도시)를 구비할 수도 있다.
이러한 평관형 단위 셀(100)을 구비한 연료전지를 구동하는 동안에 제1 전극 지지체(110)의 내부 유로(112)에 수소를 주 원료로 하는 연료가 공급되면 산화반응에 의하여 전자가 발생하게 된다. 발생된 전자는 제1 전극 지지체(110)에서 포집되어 제1 전극 지지체(110)의 외부패스 또는 내부패스(111)를 따라 집전체(140)까지 전달된다. 이 때 집전체(140)의 집전 효율을 향상시키기 위해서는 전자 전달 거리를 줄이거나 최소화하여 내부 저항에 의한 전압강하량을 줄여야 한다. 따라서 각 내부패스(111)가 연결된 제1 전극 지지체(110)의 외주면까지 집전체(140)가 형성된다.
<실시예 1>
도 2, 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 비대칭 평관형 단위 셀(100a)을 설명한다. 도 2는 일 실시예에 의한 비대칭 평관형 단위 셀의 모습을 나타내는 횡단면도이다.
본 실시예에 의한 평관형 연료전지(100a)는 제1 전극 지지체(110a), 전해질층(120a), 제2 전극층(130a) 및 집전체(140a)를 포함한다.
제1 전극 지지체(110a)는 비대칭 평관형으로 형성된다. 즉 횡단면이 사다리꼴 형상을 갖는 평관형이다. 본 발명에서 제1 장변층을 L2의 길이를 갖도록 형성하고, 마주보는 제2 장변층을 이보다 짧게 형성한 L1의 길이를 갖도록 형성한다. (물론 본 발명에서는 상기 제1장변층이 L1이고, 제2장변층이 L2으로 구분되어 제2장변층이 더 짧게 형성되는 것도 가능하다)이 때 두 장변층을 잇는 양 단변층은 상술한 두 장변층의 길이 차에 의하여 비스듬히 기울어지도록 형성된다(일정 각도에 기인하여). 본 실시예에서는 단변층을 평면으로 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 제1 전극 지지체(110a)의 내부에는 상기 비교예와 마찬가지로 인접하는 유로(112a) 사이 또는 제2 장변층의 양단 각각으로부터 제1 장변층의 중앙부에까지 연결하는 내부패스(111a)가 형성된다. 도 2에 도시된 바와 같이 제1 전극 지지체(110a)는 내부패스(111a)에 의하여 서로 변을 공유하는 세 개의 삼각형의 유로(112a)로 구획된다.
본 발명에서 상기 내부패스는 격벽 또는 연장부를 의미하는 것으로 해석하는 것도 가능하다. 이 경우 본 실시예에서는 제1연장부가 제2장변층에서 제1장변층의 중앙부로 연장되고, 제2연장부는 제2장변층에서 제1장변층의 중앙부로 연장되는 것으로 볼 수 있다. 또한, 후술하는 실시예에서는 추가적인 보조연장부가 더 형성될 수 있다. 예로 상기 제2장변층의 중앙부와 상기 제1장변층의 중앙부 사이에서 연장된 보조연장부를 더 형성하거나, 상기 제2장변층에 수직한 방향에서 상기 제2장변층의 일단과 제1장변층 사이에서 연장된 보조연장부를 더 포함하는 것도 가능하다.
한편, 본 발명에서 상기 제2장변층과 제1장변층 사이에서 연장되며 서로 대향하여 형성된 제3 단변층 및 제4단변층을 더 포함할 수 있다. 이 경우 상기 유로는 삼각형의 횡단면을 갖고 두개의 유로에 의하여 공유되는 각 연장부와 상기 제3단변층 및 제4단변층은 상기 제2장변층과 제1장변층 사이에서 전자 이동경로를 형성하게 된다.
한편, 본 실시예에서는 유로는 제1유로, 제2유로 및 제3유로를 포함할 수 있다. 이때 상기 제1유로는 상기 제2장변층의 제1단부에서 제1코너, 상기 제2장변층의 제2단부에서 제2코너 및 상기 제1장변층의 중앙부에서 제3코너를 포함하는 삼각형의 횡단면을 구비하고, 상기 제2유로와 제3유로의 각각은 삼각형의 횡단면을 구비하되, 상기 제2유로는 상기 제2장변층의 제1단부에서 제1코너, 상기 제2장변층의 제1단부 근처의 제2코너 및 상기 제1장변층의 중앙부에서 제3코너를 포함하고, 상기 제3유로는 상기 제2장변층의 제1단부에서 제1코너, 상기 제2장변층의 제2단부 근처의 제2코너 및 상기 제1장변층의 중앙부에서 제3코너를 포함할 수 있다.
한편, 상술한 내부패스(111a)가 집중적으로 연결되는 장변층의 중앙부를 전계집중부(도 3의 P0)라 한다. 집전체(111a)는 전계집중부에 접하도록 구비된다. 집전체(140a)는 앞서 설명한 바와 같이 제1 전극 지지체(110a)로부터 전달되는 전자를 외부 회로 등에 전달하는 역할을 한다.
전해질층(120a)은 전계집중부(P0) 즉, 집전체(140a)가 구비된 부분을 제외한 제1 전극 지지체의 외주면을 감싸도록 구비된다. 전해질층(120a)은 앞서 설명한 바와 같이 수소이온 및 산소이온의 통로역할을 하게 된다.
제2 전극층(130a)은 전해질층(120a)의 외주면을 감싸도록 구비되며, 상술한 집전체(140a)와 절연된다. 집전체(140a)와의 절연을 위하여 제2 전극층(130a)과 집전체(140a)가 공각적으로 이격되도록 형성하거나, 제2 전극층(130a)와 집전체(140a) 사이에 절연물질이 구비될 수 있다.(도 2)
한편, 공기극은 LaMnO3계나 LaCoO3계와 같이 높은 이온전도도와 전자 전도도를 갖고 산화분위기에서 안정적이며 후술하는 전해질층과의 화학반응이 없는 순수 전자전도체나 혼합전도체로 제작된다. 전해질층은 공기극 측에서 발생된 산소이온 및 후술하는 연료극 측에서 발생된 수소이온의 이동로 역할을 하는 부분이다. 이러한 전해질층은 기체가 투과하지 못할 정도의 치밀도를 갖는 세라믹재로 이루어진다. 전해질층의 재료로는 그 중에서도 ZrO2에 소량의 Y2O3가 첨가된 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-stabilized zirconia, 이하 “YSZ”로 칭함)가 많이 사용되고 있다. YSZ는 산화 및 환원분위기에서 높은 이온전도성을 갖고 화학적, 형상적으로 안정성을 갖는 구조이다. 연료극은 연료전지의 연료인 수소가스의 공급이 이루어지는 부분이다. 또한 연료극은 기본적으로 상술한 YSZ와 같은 세라믹재로 이루어진다. 특히 가격이 저렴하고 고온의 환원분위기에서 안정적인 NiO-8YSZ 나 Ni-8YSZ와 같은 금속세라믹 복합체(cermet)가 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상술한 내부패스(111a)는 제1 전극 지지체(110a)와 유사한 특성을 갖는 다른 물질로 형성될 수도 있으나, 제조의 편의성을 위하여 제1 전극 지지체(110a)와 동일한 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 실시예 1의 작용에 대하여 설명한다. 도 3은 도 2의 비대칭 평관형 단위 셀(100a)에서의 전자의 이동을 설명하기 위한 개략도이며, 도 4는 비교예 2에 의한 대칭 평관형 단위 셀에서의 전자 이동을 설명하기 위한 개략도이다.
이러한 비대칭 평관형 단위 셀(100a)을 구비한 연료전지를 구동하는 동안
제1 전극 지지체(110a)의 내부 유로(112a)에는 수소를 주 원료로 하는 연료가 공급되면 산화반응에 의하여 전자가 발생하게 된다. 발생한 전자는 제1 전극 지지체(110a)에서 포집되어 제1 전극 지지체(110a)의 외부패스 또는 내부패스(111a)를 따라 집전체(140a)까지 전달된다. 이 때 도 3에 도시된 바와 같이 전자는 전계집중부(P0)에 집중적으로 전달이 된다. 전계집중부(P0)에 접하도록 구비된 집전체(140a)는 비교예 1의 집전체(140)에 비하여 폭을 더 짧게 형성할 수 있다. 집전체(140a)가 더 짧게 형성되므로 이 경우 비교예 1의 제2전극층(130)과 비교하여 제2 전극층(130a)의 표면적이 증가하게 된다. 제2 전극층(130a)의 표면적이 증가할 때 연료전지의 화학반응에 참여하는 표면적이 증가하게 됨으로써 발전 효율이 증가되어 전류량이 증가하는 결과를 얻을 수 있다.
즉, 전계집중부(P0)가 형성됨으로써 첫째로 적은 집전체(140a)의 표면적으로 효율적인 집전이 가능하게 되는 효과가 있고, 둘째로 비대칭 평관형 단위 셀(100a)의 외주면 중 집전체(140a)가 차지하는 표면적이 줄어 제2 전극층(130a)의 표면적이 증가함에 따라 비대칭 평관형 단위 셀(100a) 자체의 발전 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
한편, 최대 전달거리를 설명하기 위하여 도 4에 도시된 바와 같이 최대 장변층의 길이가 동일한 대칭형 단위 셀(비교예 2)을 가정해 본다. 도 3에 도시된 바와 같이 비대칭 평관형 단위 셀(100a)의 최대 전자 전달거리는 P1, P2 또는 P3 지점으로부터 제1 전극 지지체(110a)의 외부패스를 따라 전계 집중부(140a)에 이르는 거리가 된다. 이에 비하여 비교예 2의 대칭 평관형 단위 셀을 살펴보면, 전자의 최대 전달 거리는 P4 또는 P6로부터 제1 전극지지체(110d)의 외부패스를 따라 전계집중부(P0)에 이르는 거리가 된다. 즉 비대칭 평관형 단위 셀의 최대 전자전달거리는 도 4에 도시된 대칭 평관형 단위 셀의 최대 전자전달 거리보다 짧다. 이는 비대칭형이 대칭형에 비하여 최대 전자전달거리가 짧고, 내부 저항에 따른 전압강하량이 줄어든다는 것을 의미한다. 이는 비교예 2 보다 도 3의 실시예에서 내부 저항이 작게 되므로 결과적으로 전압강하량이 떨어진게 된다.
한편, 비교예 1과 실시예 1의 단위 셀을 단위 반응 면적당 동일한 전력을 출력하도록 제조하여 실험한 결과 비교예 1의 단위 셀의 경우 0.165 A 출력 전류가 생산되었으며, 실시예 1의 경우 0.225 A의 출력 전류가 생산되었다. 즉 실시예 1에 의한 연료전지의 경우 비교예 1에 비하여 45.5%의 효율이 상승하게 되었음을 알 수 있었다.
<실시예 2>
도 5를 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 비대칭 평관형 단위 셀(100b)을 설명한다. 도 5는 일 실시예에 의한 비대칭 평관형 단위 셀(100b)의 모습을 나타내는 횡단면도이다.
실시예 2의 비대칭 평관형 단위 셀(100b)은 실시예 1에 의한 비대칭 평관형 단위 셀(100a)과 비교하면 내부패스(111b)의 수 및 추가된 내부패스(111b)의 위치에서 차이가 있다.
즉, 제1 전극 지지체(110b)의 내부에는 제2 장변층의 양단 각각으로부터 제1 장변층의 중앙부에까지 연결하는 두개의 내부패스(111b)가 형성된다. 또한 제2 장변층의 중앙으로부터 (내부패스(111b)가 연결된) 제1 장변층의 중앙부까지 내부패스(111b')가 추가적으로 형성된다. 도 5에 도시된 바와 같이 제1 전극 지지체(110b)의 내부에는 중앙의 유로를 좌우로 양분한 형태로 유로(112b) 혹은 유로채널(112b)이 형성되어(좌측 유로와 우측 유로), 총 4개의 유로(112b)가 형성된다.
이 때 집전체(140b)가 접하는 제1 전극 지지체(110b)에는 총 3개의 내부패스(111b)와 제1 전극 지지체(110b)의 외부패스를 포함하여 총 5개의 전자 전달경로가 집중된다. 이는 도 2에 도시된 실시예 1에 비하여 하나의 내부패스(111b')가 추가된 것으로서 전계집중효과가 향상되는 결과를 얻을 수 있다. 즉 패스 수가 증가할수록 전자이동경로의 증가에 따른 전계 집중효과가 강화된다는 결과를 얻을 수 있다. 또한 제1 전극 지지체(110b) 내부의 표면적이 함께 증가하게 됨으로써 집전효율이 증가하는 부가적인 효과를 얻을 수 있다.
<실시예 3>
도 6을 참조하여 실시예 3에 의한 비대칭 평관형 단위 셀(100c)에 대하여 설명한다. 도 6은 실시예 3에 의한 비대칭 평관형 단위 셀(100c)의 모습을 나타내는 횡단면도이다.
실시예 3의 비대칭 평관형 단위 셀(100c)을 실시예 2의 비대칭 평관형 단위 셀(100b)와 비교하면 패스(111c, 111c' 111c'')의 수와 패스(111c, 111c' 111c'')의 형성 위치 면에서 차이가 있다.
즉, 제1 전극 지지체(110c)의 내부에는 제2 장변층의 양단 각각으로터 제1 장변층의 중앙부에까지 연결하는 내부패스(111c)가 형성된다. 또한 제2 장변층의 중앙으로부터 제1장변층의 중앙부까지 내부패스(111c'')가 더 형성된다. 또한 제2 장변층의 양단 각각으로부터 제1 장변층에 수직으로 내린 점까지 추가 내부패스(111c')가 더 형성된다.
이 때 도 6에 도시된 바와 같이 제1 전극 지지체(110c)의 내부에는 실시예 1의 세 개의 유로(112a)를 각각 양분하는 형태로 유로가 형성되어, 총 6개의 유로가 형성된다. 총 6개의 유로(112c)는 각 내부패스(111c, 111c', 111c'')를 변으로 공유하면서 인접하도록 구비된다.
한편, 실시예 3의 경우에는 두 추가된 내부패스(111c')가 전계 집중부 이외의 지역으로 연결이 된다. (즉, 장변층의 중앙부 이외의 영역)이 경우 앞서 설명한 실시예 1과 실시예 2의 경우와 같이 전계 집중부에만 집전체가 접하도록 구비할 수 있으나, 보다 효율적인 집전을 위해서는 도 6에 도시된 바와 같이 추가 내부패스(111c')가 연결된 지점까지 집전체(140c)를 연장하는 것이 바람직하다.
이렇게 집전체(140c)의 폭을 확장하는 경우에는 비교예 1과 같이 연료전지의 화학반응에 참여하는 제2 전극층의 표면적이 줄어들게 되는 결과가 된다. 따라서 전체 화학반응의 양이 줄어들게 되어 결과적으로 집전 효율이 감소할 수 있다.
그러나 실시예 3의 경우는 고출력 대전류를 위한 연료전지에 사용되는 경우 의미가 있다. 즉 집전체(140c)를 통하여 중소형 단위 셀에 비하여 고전류를 집전하여야 하는 경우에는 보다 안정적인 집전을 위하여 집전체(140c)의 폭을 확장하는 것이 유리할 수 있다.
이 경우에도 중앙부분의 전계집중효과는 여전히 존재하며, 더불어 마주보는두 장변층의 길이차에 의한 전자이동거리가 단축되는 효과는 여전히 얻을 수 있다.
<실시예 4>
도 7은 본 발명의 실시예 4의 횡단면도이다. 본 발명의 비대칭 평관형 단위셀(100d)은 실시예 1, 2, 3의 평관형 단위셀(100a, 100b, 100c)와 비교하여 패스(111d, 111d')의 수와 패스(111d, 111d')의 형성 위치 면에서 차이가 있다. 또한 단변층의 길이와 비교한 장변층의 길이에 있어서 실시예 1, 2, 3 보다 길게 형성되어 있다.
실시예 4에서 네개의 패스(111d, 111d')는 제1전극 지지체(100d) 내에서 형성된다. 두개의 내부 패스(111d)는 제1장변층의 양단부와 제1장변층을 연결하고 또 다른 내부패스(111d')는 제2장변층의 중앙부와 제1장변층을 각각 연결한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 다섯개의 유로들이 실시예 1과 마찬가지로 제1전극 지지체(100d) 내부에 형성되고 상기 다섯개의 유로들은 서로 내부 패스(111d, 111d'를 공유하면서 인접하게 배치된다.
집전체(140d)는 제1장변층의 제1영역과 제2영역상에 접촉되어 형성되고 절연물질(141)에 의하여 제2전극층(130d)와 전기적으로 절연을 도모한다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 비대칭 평관형 고체산화물 연료전지로 구현될 수 있다.
100: 대칭 평관형 단위 셀
100a, 100b, 100c: 비대칭 평관형 단위 셀
110, 110a, 110b, 110c: 제1 전극 지지체
111, 111a, 111b, 111c, 111c', 111c'': 내부패스
112, 112a, 112b, 112c: 유로
120, 120a, 120b, 120c: 전해질층
130, 130a, 130b, 130c: 제2 전극층
140, 140a, 140b, 140c: 집전체
100a, 100b, 100c: 비대칭 평관형 단위 셀
110, 110a, 110b, 110c: 제1 전극 지지체
111, 111a, 111b, 111c, 111c', 111c'': 내부패스
112, 112a, 112b, 112c: 유로
120, 120a, 120b, 120c: 전해질층
130, 130a, 130b, 130c: 제2 전극층
140, 140a, 140b, 140c: 집전체
Claims (15)
- 실질적으로 평행하게 연장된 제1장변층과 제2장변층을 구비하는 제1전극층;
제1전극 지지체의 내부를 관통하여 연장되고 제1전극 지지체의 내부를 복수의 유로가 형성되도록 구획하는 복수의 연장부;
상기 제1장변층 또는 제2장변층의 중앙부에 인접한 집전체;
상기 제1전극층을 부분적으로 둘러싸도록 형성되는 제2전극층; 및
상기 제1전극층과 제2전극층 사이에 위치하는 전해질층을 포함하되,
상기 복수의 연장부에서 제1연장부는 제2장변층에서 제1장변층의 중앙부로 연장되고, 제2연장부는 제2장변층에서 제1장변층의 중앙부로 연장되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지. - 제1항에 있어서,
상기 전해질층은 상기 제1전극층에서 제1장변층의 중앙부를 노출된 상태로 형성되는 고체산화물 연료전지. - 제1항에 있어서,
상기 집전체는 상기 제1전극층 제1장변층의 중앙부와 접촉되는 고체산화물 연료전지. - 제1항에 있어서,
상기 집전체는 상기 제2전극층을 절연시키는 고체산화물 연료전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1전극층은 상기 제1장변층과 제2장변층 사이에서 연장되며 서로 대향하여 형성된 제3 단변층 및 제4단변층을 포함하는 고체산화물 연료전지. - 제5항에 있어서,
상기 유로는 삼각형의 횡단면을 갖고 두개의 유로에 의하여 공유되는 각 연장부와 상기 제3단변층 및 제4단변층은 상기 제1장변층과 제2장변층 사이에서 전자 이동경로를 형성하는 고체산화물 연료전지. - 제1항에 있어서,
상기 유로는 제1유로, 제2유로 및 제3유로를 포함하는 고체산화물 연료전지. - 제7항에 있어서,
상기 제1유로는 상기 제2장변층의 제1단부에서 제1코너, 상기 제2장변층의제2단부에서 제2코너 및 상기 제1장변부의 중앙부에서 제3코너를 포함하는 삼각형의 횡단면을 구비하는 고체산화물 연료전지. - 제7항에 있어서,
상기 제2유로와 제3유로의 각각은 삼각형의 횡단면을 구비하되,
상기 제2유로는 상기 제2장변층의 제1단부에서 제1코너, 상기 제2장변층의제1단부 근처의 제1장변층의 제1단부에서 제2코너 및 상기 제1장변층의 중앙부에서 제3코너를 포함하고,
상기 제3유로는 상기 제2장변층의 제2단부에서 제1코너, 상기 제2장변층의제2단부 근처의 제1장변층의 제2단부에서 제2코너 및 상기 제1장변층의 중앙부에서 제3코너를 포함하는 고체산화물 연료전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1연장부는 상기 제2장변층의 제1단부에서 상기 제1장변층의 중앙부를 향하여 연장되고,
상기 제2연장부는 상기 제2장변층의 제2단부에서 상기 제1장변층의 중앙부를 향하여 연장되는 고체산화물 연료전지. - 제1항에 있어서,
상기 제2장변층의 중앙부와 상기 제1장변층의 중앙부 사이에서 연장된 보조연장부를 더 포함하는 고체산화물 연료전지. - 제1항에 있어서,
상기 제2장변층은 상기 제1장변층 보다 길이가 짧게 형성된 고체산화물 연료전지. - 제12항에 있어서,
상기 제2장변층에 수직한 방향에서 상기 제2장변층의 일단과 제1장변층 사이에서 연장된 보조연장부를 더 포함하는 고체산화물 연료전지. - 제13항에 있어서,
상기 집전체는 상기 보조연장부가 제1장변층과 접촉하는 위치에 인접한 위치에서 제1장변층과 접촉되는 고체산화물 연료전지. - 제12항에 있어서,
상기 제1전극층은 실질적으로 사다리꼴 형태를 갖는 고체산화물 연료전지.
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