KR20140125219A - 매니폴드 일체형 집전체 및 상기 집전체를 포함하는 연료전지 또는 수전해 스택용 하우징 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 평관형 연료전지 및 수전해장치용 매니폴드 일체형 집전체 및 하우징에 관한 것이다.
Description
본 발명은 평관형 연료전지 및 수전해장치용 집전체 및 스택 구조에 관한 것이다.
고체산화물 전해질을 이용한 연료전지(SOFC) 및 수전해장치(SOEC)는 이트리아 안정화 지르코니아(이하 YSZ)와 같은 이온전도성 전해질 양쪽에 음극(또는 연료극)과 양극(또는 공기극)이 부착되어 있는 셀을 기본 구성 요소로 한다. 상기 YSZ와 같은 고체 전해질은 연료와 공기가 섞이지 않도록 치밀한 구조를 가지는 반면에 음극과 양극은 각각 연료와 수소가 원활히 확산되도록 다공성 구조를 갖도록 구성하는 것이 일반적이다.
상기 SOFC/SOEC의 셀로 크게 평판형과 튜브형이 개발되었다. 튜브형은 다시 원통형과, 셀 들의 연결(stacking)이 용이하도록 납작하게 만든 평관형으로 분류된다. SOFC 셀의 출력밀도를 높이기 위해서 전극 지지체 위에 전해질을 얇은 막으로 입힘으로써 셀의 저항을 줄이는 것이 평판형과 튜브형 셀을 제작에서 일반적으로 사용되는 방법이다.
평판형 SOFC 셀은 셀 사이에 연료와 공기를 차단함과 동시에 셀과 셀 사이를 직렬회로로 연결해주는 역할을 하는 연결판을 사용한다. 상기 연결판으로 금속이나 세라믹 연결판을 이용하기 때문에 셀의 적층과 집전이 용이하나, 대면적의 평판형 셀을 만들기 어렵고, 셀 상하의 연료와 공기의 흐름을 분리하기 위한 밀봉재가 별도로 필요한 단점이 있다.
또한, 상기 연결판으로서 현재 주로 사용되는 금속 연결재(스테인레스와 같은 합금)는 고온에서 부식되는 문제, 스테인레스 합금으로부터 Cr이 휘발하여 SOFC 셀의 양극과 반응함으로써 셀의 성능을 저하시키는 문제 등이 있다고 알려져 있다. 이러한 연결재 문제는 SOFC 스택의 내구성을 좌우하는 결정적인 문제이다. 또한, 고온 수전해장치(SOEC)는 SOFC와 달리 높은 농도의 수증기를 사용하므로 금속 연결재를 사용하는 것은 적절하지 못하다.
이에 대한 대안으로서 세라믹 연결재를 고려할 수 있으나, 고가의 소재를 사용해야 하며, 깨어지기 쉬운 성질(취성, brittle)이 있어서 대용량의 스택을 만들기에 적합하지 않다.
튜브형 셀은 기계적 강도가 우수하며 튜브의 양끝 또는 한쪽 끝만을 밀봉하기 때문에 평판형 셀에 비해 밀봉부위가 작아 내부와 외부의 가스 흐름을 제어하기 쉽다. 튜브형 SOFC 셀에 유체통로를 연결하기 위해서는 금속 매니폴드와 셀을 브레이징하여 연결하거나(미국특허공개 2007/0231660) 혹은 유리질을 포함하는 세라믹 페이스트를 바르는 방법이 사용된다.
한편, 튜브형 중 원통형 셀은 구조상 스택을 구성하기 어렵고 셀의 저항이 크기 때문에, 내부에 격벽을 가진 평관형 셀을 이용한 스택이 고안되었다(대한민국 특허 10-0538555). 그러나 원형의 단면을 갖는 원통형 셀과는 달리 직사각형의 단면을 갖는 평관형 셀은 직사각형의 단면을 갖는 가스 매니폴드를 사용해야 하기 때문에 정확한 크기의 매니폴드 제작이 어렵고, 가스누출 위험이 높아지며, 제작비용이 증가하는 문제점이 있다.
또한 상기의 튜브형 SOFC 스택은 셀과 가스 매니폴드의 밀봉 부위가 스택에서 많은 부피를 차지하기 때문에 컴팩트한 구조의 SOFC 스택을 만들기 어렵고, 밀봉 부위만큼 셀의 반응면적이 줄어들기 때문에 셀의 제조비용이 늘어나는 문제점이 있다.
본 발명자는 이를 해결하기 위해 양끝단이 막힌 end-closed type 의 셀 구조를 제안한 바 있다(대한민국 특허출원 2008-0131314).
본 발명은 end-closed type 의 평관형 셀을 적층한 컴팩트한 연료전지 또는 수전해 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 외부 공기의 흐름을 제어할 수 있는 매니폴드 및 하우징을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제 해결을 위하여 본원 발명은
측면에 연료 공급관을 갖고 상부에 셀로의 연료 주입구를 갖는 연료공급챔버,
측면에 공기 공급관을 갖고 상부에 셀로의 공기 주입구를 갖는 공기공급챔버, 및
측면에 수소 또는 물 배출관을 갖고 상부에 셀로부터 수소 또는 물 유입구를 갖는 수소 또는 물 배출챔버를 포함하고
상기 연료공급챔버, 공기공급챔버 및 수소 또는 물 배출챔버는 순차적으로 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지 또는 수전해장치용 매니폴드 일체형 집전체를 제공한다.
본 발명은 또한 상기 집전체를 포함하는 연료전지 스택 또는 수전해 스택용 하우징을 제공한다.
본 발명은 또한 상기 연료전지 스택 또는 수전해 스택용 하우징을 포함하는 연료전지 또는 수전해 장치를 제공한다.
집전, 연료와 공기의 흐름을 위한 매니폴드 및 예열 기능을 bottom end plate 하나로 모두 해결할 수 있어서 구조가 단순하며, stacking이 매우 쉽고, 기계적으로 안정적인 연료전지 또는 수전해 스택을 제공한다.
도 1은 평관형 셀의 연료 및 공기의 흐름을 도시한 개략도이다.
도 2는 종래의 매니폴드를 이용한 양쪽 끝이 막힌 평관형 셀의 연료의 흐름을 도시한 개략도이다.
도 3은 종래의 별도의 매니폴드가 없는 양쪽 끝이 막힌 평관형 셀의 연료의 흐름을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 매니폴드 일체형 집전체의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 양쪽 끝이 막힌 평관형 셀의 연료의 흐름을 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 연료전지의 상면도이다.
도 7은 본 발명의 하우징의 부분도이다.
도 8은 본 발명의 연료전지의 측면도이다.
도 2는 종래의 매니폴드를 이용한 양쪽 끝이 막힌 평관형 셀의 연료의 흐름을 도시한 개략도이다.
도 3은 종래의 별도의 매니폴드가 없는 양쪽 끝이 막힌 평관형 셀의 연료의 흐름을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 매니폴드 일체형 집전체의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 양쪽 끝이 막힌 평관형 셀의 연료의 흐름을 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 연료전지의 상면도이다.
도 7은 본 발명의 하우징의 부분도이다.
도 8은 본 발명의 연료전지의 측면도이다.
본원발명은
측면에 연료 공급관을 갖고 상부에 셀로의 연료 주입구를 갖는 연료공급챔버,
측면에 공기 공급관을 갖고 상부에 셀로의 공기 주입구를 갖는 공기공급챔버, 및
측면에 수소 또는 물 배출관을 갖고 상부에 셀로부터 수소 또는 물 유입구를 갖는 수소 또는 물 배출챔버를 포함하고
상기 연료공급챔버, 공기공급챔버 및 수소 또는 물 배출챔버는 순차적으로 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지 또는 수전해장치용 매니폴드 일체형 집전체를 제공한다.
종래의 방식 (Kyocera flat tubular cell) 은 양쪽이 열린 일반적인 튜브셀을 사용하며, 스택을 구성하기 위해 세라믹이나 금속 매니폴드에 세로로 배열하기 때문에 셀의 적층이 어렵고, 끝부분의 밀봉이 어려우며 공기의 흐름이 제어되지 않는다는 단점이 있다.
이에 반해 본원발명의 매니폴드 일체형 집전체는 연료공급챔버 및 연료배출챔버와 함께 공기공급챔버를 포함하고 있어서 연료의 흐름뿐만 아니라 공기의 흐름도 제어할 수 있다.
본 발명은 연료 및 공기 챔버를 구성하여 연료 및 공기가 스택 내부에서 예열될 수 있다. 또한 가스 배관이 매니폴드 옆면을 이용함으로써 수직방향으로 스택을 구성하기가 용이하다.
본 발명의 집전체의 공기공급챔버의 상부에 있는 공기 주입구는 바람직하게는 다수의 구멍으로 이루어져 있어서 챔버를 통해 셀로 공기가 분산되어 주입될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 매니폴드 일체형 집전체를 포함하는 연료전지 또는 수전해 스택용 하우징을 제공한다.
본 발명은 또한 상기 연료전지 또는 수전해 스택과 연료전지 또는 수전해 스택용 하우징을 포함하는 연료전지 또는 수전해 장치를 제공한다.
상기 장치는 하부에 상기 연료 및 공기공급 챔버를 갖는 매니폴드 일체형집전체를 포함하고, 상부에는 단순 집전 역할만 하는 집전체를 포함한다.
상기 상부 및 하부 집전체 사이에, 양쪽 끝이 막히고 인접 셀로의 연료흐름을 만들기 위한 연료 주입구 또는 배출구를 셀과 셀의 연결부위에 갖는 적층된 셀을 갖는다. 이때 평관형 스택의 가장 상부 셀은 연료구멍이 관통되지 않고, 상부는 막혀있도록 구성되어, 최상부 셀로 유입된 연료가 하부 집전체의 수소 또는 물 배출챔버로 배출되도록 구성된다.
상기 적층된 셀을 측면에서 감싸고 상기 하부의 매니폴드 일체형 집전체와 상부의 집전체와 연결된 하우징을 포함한다.
본 발명은 연료(수증기)는 공기와 혼합되지 않도록 mica, ceramic felt, 금속 gasket 등을 사용한다.
또한 본 발명의 하우징은 공기의 흐름이 다른 쪽으로 새어나가지 않도록 볼트로 체결하여 벽면 구성품에 밀착 (ceramic felt 등 사용)시킬 수 있다.
Claims (3)
- 측면에 연료 공급관을 갖고 상부에 셀로의 연료 주입구를 갖는 연료공급챔버,
측면에 공기 공급관을 갖고 상부에 셀로의 공기 주입구를 갖는 공기공급챔버, 및
측면에 수소 또는 물 배출관을 갖고 상부에 셀로부터 수소 또는 물 유입구를 갖는 수소 또는 물 배출챔버를 포함하고
상기 연료공급챔버, 공기공급챔버 및 수소 또는 물 배출챔버는 순차적으로 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지 또는 수전해장치용 매니폴드 일체형 집전체.
- 청구항 1의 매니플드 일체형 집전체를 포함하는 연료전지 스택 또는 수전해 스택용 하우징.
- 청구항 2의 연료전지 스택 또는 수전해 스택용 하우징을 포함하는 연료전지 또는 수전해장치.
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