KR20140072416A - 고체산화물 연료전지의 금속지지체형 단전지 모듈 및 이를 구비하는 고체산화물 연료전지 스택 구조 - Google Patents

고체산화물 연료전지의 금속지지체형 단전지 모듈 및 이를 구비하는 고체산화물 연료전지 스택 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 특히 고체산화물 연료전지의 단전지 및 스택 구조에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 전해질 및 상기 전해질을 사이에 두고 양면에 형성된 연료극과 공기극을 구비하는 단전지 몸체; 및 상기 연료극 또는 공기극에 접합되어 상기 단전지 몸체와 일체로 형성된 금속판을 포함하며, 상기 금속판은 상기 단전지 몸체와 접하는 면과 그 반대 면에 각각 형성된 다수의 제1 가스 유로과 다수의 제2 가스 유로를 구비하는 고체산화물 연료전지의 금속지지체형 단전지 모듈이 제공된다.

Description

고체산화물 연료전지의 금속지지체형 단전지 모듈 및 이를 구비하는 고체산화물 연료전지 스택 구조 {METAL-SUPPORTED UNIT CELL MODULE OF SOLID OXIDE FUEL CELL AND STACK STRUCTURE OF SOLID OXIDE FUEL CELL WITH THE SAME}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 특히 고체산화물 연료전지의 단전지 및 스택 구조에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 수소 또는 메탄올, 에탄올과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학반응 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다.
연료전지의 종류에는 대표적으로 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료전지(DMFC : Direct Method Fuel Cell), 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) 등이 있다.
이들 중 PEMFC는 기술적으로 CO 농도 요구치, 복잡한 가습 시스템, 스택에서의 플러딩(flooding) 현상으로 인한 성능 저하 등의 문제점을 가지고 있는데, 이를 SOFC로 대체할 경우 시스템이 단순해져서 가격 면에서도 경쟁력을 가질 수 있다.
일반적으로 연료전지는 단전지(unit cell)를 적층하여 스택 구조로 구성하여 사용된다. 구성물질의 특성에 따라서 연료전지의 종류가 결정되고 발전시스템 구성요소가 변할 수 있다.
고체산화물 연료전지는 단전지를 포함한 기본 구성물질이 세라믹으로 구성된다. 이는 고체산화물 연료전지가 다른 종류의 연료전지에 비하여 상대적으로 높은 온도 영역에서 운전된다는 것을 의미하며, 세라믹으로 구성되는 고체산화물 연료전지는 구조변형 및 강도에 있어서 취약한 점을 갖기도 한다. 하지만, 이러한 단점에도 불구하고 고체산화물 연료전지는 높은 발전효율을 갖기 때문에 고체산화물 연료전지 분야에 대한 관심과 연구가 증가하고 있다.
고체산화물 연료전지의 특성상 중대형 발전 시스템 뿐만 아니라 소형 발전시스템, 이동형 발전시스템 등 다양한 분야에 적용할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 고온에서 운전을 요하는 특성으로 인해 구성품의 재료 선정이 다소 힘들고 스택으로 구성시 어려운 점이 있다.
단전지를 기준으로 양단에 흐르는 반응가스의 분리가 필수적으로 요구되며 이를 위하여 분리판(separator)이 사용된다. 또한 반응가스의 혼합 방지 및 전기적 분리를 위하여 밀봉재(sealant)를 사용하여 스택 구조를 형성하게 된다.
위에서 설명한 바와 같이, 종래의 고체산화물 연료전지는 구조변형 및 강도에 취약하고 스택 구조 형성 시에 많은 부품이 추가되기 때문에 개선이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 구조적으로 강화되고 스택 구조 형성이 용이한 고체산화물 연료전지의 금속지지체형 단전지 모듈 및 이를 구비하는 고체산화물 연료전지의 스택 구조를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,
전해질 및 상기 전해질을 사이에 두고 양면에 형성된 연료극과 공기극을 구비하는 단전지 몸체; 및 상기 연료극 또는 공기극에 접합되어 상기 단전지 몸체와 일체로 형성된 금속판을 포함하며, 상기 금속판은 상기 단전지 몸체와 접하는 면과 그 반대 면에 각각 형성된 다수의 제1 가스 유로과 다수의 제2 가스 유로를 구비하는 고체산화물 연료전지의 금속지지체형 단전지 모듈이 제공된다.
상기 금속판은 상기 다수의 제1 가스 유로가 형성된 면 상에 돌출되어서 형성된 2개의 제1 지지대를 더 구비하며, 상기 2개의 제1 지지대 사이에 상기 다수의 제1 가스 유로가 형성될 수 있다.
상기 2개의 제1 지지대는 상기 단전지 몸체의 양측면과 각각 밀착할 수 있다.
상기 금속판은 상기 다수의 제2 가스 유로가 형성되는 면 상에 상기 두 제1 지지대와 겹치지 않는 구역에 마련된 2개의 제2 지지대를 더 구비할 수 있다.
제1 가스 유로의 방향과 제2 가스 유로의 방향은 교차되도록 형성될 수 있다.
상기 단전지 몸체와 상기 금속판은 니켈 기반 분말의 접합 물질을 이용하여 환원분위기에서 열처리를 통해 접합된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 적층된 다수의 금속지지체형 단전지 모듈을 포함하며, 상기 금속지지체형 단전지 모듈은, 단전지 몸체와, 상기 단전지 몸체와 일체로 형성된 금속판을 포함하며, 상기 금속판은 상기 단전지 몸체와 접하는 면과 그 반대 면에 각각 형성되고 서로 교차하도록 배치되는 다수의 제1 가스 유로과 다수의 제2 가스 유로를 구비하며, 이웃한 두 금속지지체형 단전지 모듈은 단전지 몸체를 사이에 두고 양면에 각각 형성된 제1 가스 유로와 제2 가스 유로가 서로 교차되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택 구조가 제공된다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 전해질, 연료극 및 공기극으로 이루어진 단전지 몸체와 분리판 및 지지체의 역할을 동시에 수행하는 금속판이 일체로 형성된 단전지 모듈이 제공되므로, 구조적으로 강화되고 스택 구조 형성시 작업성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택 구조를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 기본 단전지 모듈의 사시도이다.
도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 고체산화물 연료전지 스택 구조에서 하나의 단전지 몸체와 그 위와 아래에 위치하는 분리판을 함께 도시한 측면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 스택 구조가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 고체산화물 연료전지 스택 구조(100)는 적층된 다수의 단전지 모듈(110, 140)을 포함한다. 다수의 단전지 모듈(110, 140)은 기본 단전지 모듈(110)과, 마감 단전지 모듈(140)을 구비한다. 도시되지는 않았으나, 적층된 다수의 단전지 모듈(110, 140)은 지지 수단에 의하여 스택 구조를 견고하게 유지할 수 있다. 예를 들면, 지지 수단으로는 적층된 다수의 단전지 모듈(110, 140)을 양단에서 가압하는 두 엔드플레이트(미도시)와, 두 엔드플레이트 사이를 연결하는 결합부재(미도시)가 사용될 수 있다.
도 2에는 도 1에 도시된 기본 단전지 모듈(110)이 사시도로서 도시되어 있고, 도 3 및 도 4에는 도 1에 도시된 고체산화물 연료전지 스택 구조에서 하나의 단전지 몸체와 그 위와 아래에 위치하는 분리판이 함께 측면도로서 도시되어 있다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 기본 단전지 모듈(110)은 단전지 몸체(120)와, 금속판(130)과, 접합층(135)을 구비한다.
단전지 몸체(120)는 대체로 직사각판 형태로서, 전해질(121)과, 연료극(122)과, 공기극(123)을 구비한다. 전해질(121)의 양면에 각각 연료극(122)과 공기극(123)이 접촉되어서 형성된다. 즉, 연료극(122)과 공기극(123) 사이에 전해질(121)이 배치된 샌드위치 구조가 된다. 단전지 몸체(120)의 구성 및 작용은 기존의 고체산화물 연료전지의 단전지의 구성 및 작용과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
금속판(130)은 단전지 몸체(120)의 형태에 대응하는 직사각판 형태로서, 단전지 몸체(120)의 연료극(122)에 접합층(135)에 의해 결합되어 있다. 본 실시예에서는 금속판(130)이 연료극(122) 측에 결합되는 것으로 설명하지만, 이와는 달리 공기극(123) 측에 결합될 수도 있다. 금속판(130)은 기본 단전지 모듈(110)을 구조적으로 지지하는 지지체의 역할과 적층 시에 이웃한 두 단전지 몸체(120) 사이를 분리하여 반응가스의 혼합을 방지하는 분리판 역할을 동시에 수행한다.
금속판(130)의 제1 면과 제2 면에는 각각 다수의 제1 가스 유로(131)와 다수의 제2 가스 유로(133)가 형성된다. 제1 가스 유로(131)는 직선으로 연장되는 오목 홈 형상이며, 다수의 제1 가스 유로(131)는 평행하게 배치된다. 제1 가스 유로(131)는 단전지 몸체(120)의 연료극(122)과 접하는 제1 면에 형성되어서 수소를 공급하는 통로로서 기능한다. 제2 가스 유로(133)는 직선으로 연장되는 오목 홈 형상이며, 다수의 제2 가스 유로(133)는 평행하게 배치된다. 다수의 제2 가스 유로(133)는 다수의 제1 가스 유로(131)와 교차하도록(바람직하기로는 서로 직각을 이루도록) 연장된다. 제2 가스 유로(133)는 스택 구조에서 이웃하는 다른 단전지 몸체(120)의 공기극(123)에 산소를 공급하는 통로로서 기능한다.
금속판(130)에서 제1 가스 유로(131)가 형성된 제1 면에는 2개의 제1 지지대(132a, 132b)가 형성된다. 2개의 제1 지지대(132a, 132b)는 서로 마주보는 벽 형태로서, 두 제1 지지대(132a, 132b) 사이에 다수의 제1 가스 유로(131)가 배치된다. 두 제1 지지대(132a, 132b)는 그 사이에 위치하는 단전지 몸체(120)의 양측면과 밀착해서, 가스 밀봉 효과를 높이게 된다. 두 제1 지지대(132a, 132b)는 단전지 몸체(120)와 금속판(130)의 접합 시에 발생할 수 있는 뒤틀림을 방지하는 기능도 하게 된다. 두 제1 지지대(132a, 132b)의 높이는 단전지 몸체(120)의 두께를 고려하여 적절히 결정된다. 본 실시예에서 두 제1 지지대(132a, 132b)는 금속판(130)의 네 변부 중 대향하는 두 변부에 형성된다.
금속판(130)에서 제2 가스 유로(133)가 형성된 제2 면에는 2개의 제2 지지대(134a, 134b)가 형성된다. 2개의 제2 지지대(134a, 134b)는 서로 마주보는 벽 형태로서, 두 제2 지지대(134a, 134b) 사이에 다수의 제2 가스 유로(133)가 배치된다. 두 제2 지지대(134a, 134b)는 스택 구조에서 이웃하는 다른 단전지 몸체(120)의 양측면과 밀착해서, 가스 밀봉 효과를 높이게 된다. 두 제2 지지대(134a, 123b)의 높이는 단전지 몸체(120)의 두께를 고려하여 적절히 결정된다. 두 제2 지지대(134a, 134b)는 두 제1 지지대(132a, 132b)와 겹치지 않는 구역에 마련된다. 즉, 본 실시예에서는 두 제2 지지대(134a, 134b)는 금속판(130)의 네 변부 중 두 제1 지지대(132a, 132b)가 형성되지 않은 다른 대향하는 두 변부에 형성된다.
접합층(135)은 단전지 몸체(120)의 연료극(122)과, 금속판(130)의 제1 면의 사이에 형성되어서 단전지 몸체(120)와 금속판(130)을 일체로 결합시킨다. 본 실시예에서는 단전지 몸체(120)와 금속판(130)은 금속분말을 기반으로 하는 접합물질에 의해 접합되는 것으로 설명한다. 상기 금속 분말은 니켈(Ni) 기반의 분말을 기본으로 하고 접합 공정은 금속의 산화를 방지하기 위해 환원분위기(H2)에서 열처리를 통해 이루어진다.
도 1을 참조하면, 하나의 기본 단전지 모듈(110) 위에 다른 기본 단전지 모듈(110)이 차례대로 적층되고, 마지막으로 마감 단전지 모듈(140)이 기본 단전지 모듈(110) 위에 적층되어서 고체산화물 연료전지 스택 구조(100)가 완성된다. 이웃하는 두 기본 단전지 모듈(110)은 단전지 몸체(120)를 사이에 두고 양면에 위치하는 다수의 제1 가스 유로(131)와 다수의 제2 가스 유로(133)가 서로 교차 배치되도록 적층된다.
마감 단전지 모듈(140)은 도 2에 도시된 기본 단전지 모듈(110)에 단전지 몸체(120)의 공기극(123)과 결합되는 금속판(130)을 더 구비한다. 이외의 구성은 기본 단전지 모듈(110)과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 실시예에서는 고체산화물 연료전지 스택 구조가 별도로 제작된 다수의 기본 단전지 모듈(110)과 마감 단전지 모듈(140)이 차례대로 적층되어서 제작되는 것으로 설명하였다. 하지만, 이와는 달리 다수의 단전지 몸체(120)와, 다수의 금속판(130)이 교대로 적층된 후 상기 설명한 접합 공정으로 함께 접합되어서 일체로 형성될 수도 있다. 이 경우 접합층이 단전지 몸체(120)의 양면에 모두 형성될 것이다.
상기 실시예에서는 상기 단전지 모듈(110, 140)이 하나의 단전지 몸체(120) 만으로 이루어지는 것으로 설명하였으나, 이와는 달리 다수의 단전지 몸체(120)와 다수의 금속판(130)이 교대로 적층된 후 접합 결합되어서 형성될 수도 있다. 이러한 구조의 단전지 모듈도 본 발명의 단전지 모듈에 속하는 것이다.
이상 실시예들을 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예들은 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 당업자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
100 : 고체산화물 연료전지 스택 구조
110 : 기본 단전지 모듈 120 : 단전지 몸체
121 : 전해질 122 : 연료극
123 : 공기극 130 : 금속판
131 : 제1 가스 유로 132a, 132b : 제1 지지대
133 : 제2 가스 유로 134a, 134b : 제2 지지대
140 : 마감 단전지 모듈

Claims (7)

  1. 전해질(121) 및 상기 전해질을 사이에 두고 양면에 형성된 연료극(122)과 공기극(123)을 구비하는 단전지 몸체(120); 및
    상기 연료극 또는 공기극에 접합되어 상기 단전지 몸체와 일체로 형성된 금속판(130)을 포함하며,
    상기 금속판(130)은 상기 단전지 몸체와 접하는 면과 그 반대 면에 각각 형성된 다수의 제1 가스 유로(131)과 다수의 제2 가스 유로(133)를 구비하는 고체산화물 연료전지의 금속지지체형 단전지 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속판은 상기 다수의 제1 가스 유로가 형성된 면 상에 돌출되어서 형성된 2개의 제1 지지대(132a, 132b)를 더 구비하며, 상기 2개의 제1 지지대 사이에 상기 다수의 제1 가스 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 금속지지체형 단전지 모듈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 2개의 제1 지지대는 상기 단전지 몸체의 양측면과 각각 밀착하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 금속지지체형 단전지 모듈.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속판은 상기 다수의 제2 가스 유로가 형성되는 면 상에 상기 두 제1 지지대(132a, 132b)와 겹치지 않는 구역에 마련된 2개의 제2 지지대(134a, 134b)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 금속지지체형 단전지 모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제1 가스 유로의 방향과 제2 가스 유로의 방향은 교차되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 금속지지체형 단전지 모듈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 단전지 몸체와 상기 금속판은 니켈 기반 분말의 접합 물질을 이용하여 환원분위기에서 열처리를 통해 접합된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 금속지지체형 단전지 모듈.
  7. 적층된 다수의 금속지지체형 단전지 모듈을 포함하며,
    상기 금속지지체형 단전지 모듈은, 단전지 몸체와, 상기 단전지 몸체와 일체로 형성된 금속판을 포함하며, 상기 금속판은 상기 단전지 몸체와 접하는 면과 그 반대 면에 각각 형성되고 서로 교차하도록 배치되는 다수의 제1 가스 유로과 다수의 제2 가스 유로를 구비하며,
    이웃한 두 금속지지체형 단전지 모듈은 단전지 몸체를 사이에 두고 양면에 각각 형성된 제1 가스 유로와 제2 가스 유로가 서로 교차되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택 구조.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20220056322A (ko) * 2020-10-28 2022-05-06 한양대학교 산학협력단 연료전지 및 그의 제조방법

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KR20220056322A (ko) * 2020-10-28 2022-05-06 한양대학교 산학협력단 연료전지 및 그의 제조방법

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