KR20150021817A - 용융탄산염 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용융탄산염 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 본 발명에 의한 용융탄산염 연료 전지는, 산화 환원 반응을 통해 전기에너지를 생산하는 용융탄산염 연료 전지로서, 복수의 연료 전지 셀이 적층된 구조를 갖는 연료 전지 스택; 및 상기 연료 전지 스택에 대한 유체의 유동을 제어하는 매니폴드;를 포함하여 구성된다.

Description

용융탄산염 연료 전지{MOLTEN CARBONATE FUEL CELL}
본 발명은 용융탄산염 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 본 발명에 의한 용융탄산염 연료 전지는, 산화 환원 반응을 통해 전기에너지를 생산하는 용융탄산염 연료 전지로서, 복수의 연료 전지 셀이 적층된 구조를 갖는 연료 전지 스택; 및 상기 연료 전지 스택에 대한 유체의 유동을 제어하는 매니폴드;를 포함하여 구성된다.
연료 전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학에너지를 전자화학 반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다.
일반적으로, 단위 연료 전지를 구성하는 연료 전지 셀(CELL)은 전기적으로 충전된 이온을 도전시키는 전해질에 의해 분리되는 애노드 극 및 캐소드 극을 포함한다. 용융 탄산염 연료 전지는 이산화탄소를 포함하는 가스를 산화시킬 동안 애노드 극을 통해 반응물 연료가스를 통과함으로써 작동되며, 산소는 캐소드 극을 통과한다.
따라서, 상기 애노드 극 및 캐소드 극에 각각 공급되는 기체를 연료 전지 셀에 전체적으로 균일하게 공급시키는 것은 연료 전지 전체의 작동 효율에 있어서 매우 중요한 과제가 된다.
뿐만 아니라, 상기 기체의 유동 과정에서 상기 연료 전지 셀에 구비된 전해질은 상기 기체의 유동에 따라서 손실되어 외부로 유출할 수 있다. 이에 따라서 전해질이 유출됨에 따라 연료 전지 셀의 성능이 저하되며 이는 연료 전지 전체의 성능 저하의 요인이 된다.
따라서, 적절한 기체의 공급에 따른 기체의 균일한 분포 및 상기 전해질 유출을 방지할 수 있는 구조를 갖는 연료 전지가 구성될 필요가 있다.
공개특허 10-2007-0080490
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에 의한 용융탄산염 연료 전지는, 산화 환원 반응을 통해 전기에너지를 생산하는 용융탄산염 연료 전지로서, 복수의 연료 전지 셀이 적층된 구조를 갖는 연료 전지 스택; 및 상기 연료 전지 스택에 대한 유체의 유동을 제어하는 매니폴드;를 포함하여 구성된다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 용융탄산염 연료 전지는, 산화 환원 반응을 통해 전기에너지를 생산하는 용융탄산염 연료 전지로서, 복수의 연료 전지 셀이 적층된 구조를 갖는 연료 전지 스택; 및 상기 연료 전지 스택에 대한 유체의 유동을 제어하는 매니폴드;를 포함하여 구성된다.
바람직하게는, 상기 매니폴드는, 유체가 안내되어 유동할 수 있는 덕트 구조를 갖게 구성된다.
바람직하게는, 상기 매니폴드는, 캐소드 가스가 유동하는 캐소드 매니폴드를 포함하며, 상기 캐소드 매니폴드는 캐소드 가스를 상기 연료 전지 스택에 공급하는 캐소드 공급 매니폴드, 및 상기 연료 전지 스택을 통과한 캐소드 가스가 배출되는 캐소드 배출 매니폴드를 포함한다.
바람직하게는, 상기 캐소드 공급 매니폴드는 상기 연료 전지 스택의 하부에 배치되며, 상기 캐소드 배출 매니폴드는 상기 연료 전지 스택의 상부에 배치된다.
바람직하게는, 상기 매니폴드는 애노드 가스가 유동하는 애노드 매니폴드를 포함하며, 상기 애노드 매니폴드는 애노드 가스를 상기 연료 전지 스택에 공급하는 애노드 공급 매니폴드, 및 상기 연료 전지 스택을 통과한 애노드 가스가 배출되는 애노드 배출 매니폴드를 포함한다.
바람직하게는, 상기 애노드 공급 매니폴드 및 애노드 배출 매니폴드는 각각 상기 연료 전지 스택의 양 측부에 각각 배치되게 구성된다.
본 발명에 따른 용융탄산염 연료 전지는, 캐소드 매니폴드의 배치에 따라서, 캐소드 가스가 연료 전지 스택의 하부에서 상부 방향으로 유동할 수 있다.
캐소드 가스의 유량은 연료 전지 스택의 내부 유량 중 가장 많은 양을 차지하므로, 상기 캐소드 가스가 하부에서 상부로 유동함에 따라서, 연료 전지 셀 내의 전해질의 손실이 방지되거나, 또는 손실 속도가 최소화 될 수 있다.
즉, 상기 캐소드 가스가 중력에 대해 반대 방향으로 유동함에 따라서, 상기 전해질이 외부로 전달되어 유출되는 것이 방지되거나, 또는 최소화될 수 있다. 따라서, 연료 전지 스택 및 용융탄산염 연료 전지의 수명이 연장될 수 있다. 아울러, 전해질이 위에서 아래로 흐를 경우, 내부에서 유동하는 캐소드 가스의 유동 방향과 반대방향이 되어 흐름 속도가 최소화되므로 전해질의 유출 속도가 최소화될 수 있다.
아울러, 상기와 같이 캐소드 가스의 유량은 연료 전지 스택의 내부 유량 중 가장 많은 양을 차지하므로, 상기 연료 전지 스택의 면적에 대응하여 대면적의 캐소드 매니폴드가 구성될 수 있으며, 또한 캐소드 공급 매니폴드가 하부에 배치됨에 따라서 용융탄산염 연료 전지 전체의 높이가 낮아질 수 있으므로 구조적인 안정성이 향상될 수 있다.
또한, 상기 캐소드 가스가 하부에서 상부로 유동되므로, 대용량의 캐소드 가스가 균일하게 유동하여 전달될 수 있으며, 연료 전지 스택의 각 부분에서의 반응이 균일하게 이루어져 연료 전지 스택 및 용융탄산염 연료 전지 전체의 성능이 확보될 수 있다.
아울러, 애노드 매니폴드는 애노드 공급 매니폴드 및 애노드 배출 매니폴드를 포함하며, 애노드 공급 매니폴드 및 애노드 배출 매니폴드는 각각 상기 연료 전지 스택의 양 측부에 각각 배치되게 구성될 수 있고, 상기와 같은 배치에 따라서, 상기 애노드 가스는 연료 전지 스택의 측방향으로 유동할 수 있다. 즉, 상기 애노드 가스와 캐소드 가스는 서로 교차하는 방향으로 유동할 수 있다.
이에 따라서, 상기 애노드 가스와 캐소드 가스의 연료 전지 스택의 각 부분에 균일하게 공급되는 것이 달성될 수 있다. 또한, 상기 애노드 가스와 캐소드 가스가 교차하여 유동하므로 연료 전지 스택이 배치된 공간 내에서 가스의 혼합과 같은 가스 유동의 적절한 제어가 이루어져, 본 발명에 따른 용융탄산염 연료 전지의 성능이 개선될 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지의 유체의 유동을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예는 제한적인 것으로 의도된 것이 아니다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 부재는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 부재의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 1 은 본 발명에 따른 용융탄산염 연료 전지(1)의 구조를 나타낸 도면이며, 도 2 는 본 발명에 따른 용융탄산염 연료 전지(1)의 유체 유동을 나타낸 도면이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 용융탄산염 연료 전지(1)는, 산화 환원 반응을 통해 전기에너지를 생산하는 용융탄산염 연료 전지(1)로서, 복수의 연료 전지 셀(110)이 적층된 구조를 갖는 연료 전지 스택(100); 및 상기 연료 전지 스택(100)에 대한 유체의 유동을 제어하는 매니폴드;를 포함하여 구성된다.
상기 연료 전지 스택(100)은 소정의 반응을 통해 전기를 생산하게 구비되며, 소정의 적층 구조를 갖는 기둥 형태로 구성될 수 있다. 상기 연료 전지 스택(100)을 구성하는 연료 전지 셀(110)은 한 쌍의 애노드 전극판과 캐소드 전극판 사이에 알칼리 탄산염 전해질을 함유하는 다공성의 매트릭스 판으로 만들어지는 구성을 가질 수 있다. 한편, 도 1 에서는 복수의 연료 전지 셀(110)이 적층되어 연료 전지 스택(100)을 구성하는 구조로 도시되었으나, 이에 한정하지 아니하며, 각각의 연료 전지 스택(100)(110)은 임의의 구조를 가질 수 있다.
각각의 연료 전지 셀(110)은, 상기 애노드부의 수소 산화반응과 캐소드부의 산소 환원반응의 전기화학 반응을 이용하여 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기 에너지로 변환시킬 수 있다. 이때, 상기 산화-환원 반응은 하기 식 1 과 같다.
H2 + 1/2 O2 + CO2 -> H2O + CO2 + HEAT (식 1)
한편, 상기 연료 전지 셀(110)은 소정의 인클로저(400) 내에 배치될 수 있다.
상기 인클로저(400)는 상기 연료 전지 셀(110)을 둘러싸 외부에 대해서 보호하는 소정의 케이싱으로 구성될 수 있다. 한편, 상기 인클로저(400)는 용융탄산염 연료 전지(1) 내부의 온도를 일정하게 유지하도록 하는 소정의 방열체의 기능을 가질 수 있다. 상기 인클로저(400) 내에 상기 연료 전지 셀(110) 및 매니폴드가 배치될 수 있으며, 소정의 온도 안정화 장치가 구비될 수 있고, 이에 한정하지 아니한다. 바람직하게는, 상기 인클로저(400)는 외부의 온도 환경에 불구하고 내부의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 소정의 방열 재질로 구성될 수 있다.
아울러, 상기 연료 전지 셀(100)을 지지하도록 소정의 지지체(500)가 구비될 수 있다. 상기 지지체(500)는 상기 연료 전지 셀(100)외에 상기 각각의 매니폴드를 지지하는 소정의 구조물일 수 있다.
아울러, 상기 인클로저(400) 내, 외에는 본 발명에 따른 용융탄산염 연료 전지(1)의 기능을 촉진하거나, 확보할 수 있도록 소정의 장치 및 구조물이 더 구비될 수 있으며, 도면에 도시된 바와 같은 구조로 한정하지 아니함은 물론이다.
바람직하게는, 상기 매니폴드는, 유체가 안내되어 유동할 수 있는 덕트 구조를 갖게 구성된다. 즉, 상기 매니폴드는, 상기 연료 전지 스택(100)에 공급되는 유체, 또는 상기 연료 전지 스택(100)을 통과한 유체가 유동할 수 있는 소정의 유로를 갖되, 상기 유로는 덕트 구조를 가짐으로써, 유체 유동이 방향성을 가지며 용이하게 안내될 수 있다.
바람직하게는, 상기 매니폴드는, 캐소드 가스가 유동하는 캐소드 매니폴드를 포함하며, 상기 캐소드 매니폴드는 캐소드 가스를 상기 연료 전지 스택(100)에 공급하는 캐소드 공급 매니폴드(210), 및 상기 연료 전지 스택(100)을 통과한 캐소드 가스가 배출되는 캐소드 배출 매니폴드(220)를 포함한다.
상기 매니폴드는 캐소드 가스의 유동이 이루어지는 캐소드 매니폴드를 포함한다. 이때, 캐소드 가스란 상기 연료전지 스택의 캐소드에 공급되는 가스를 의미하는 것으로서, CO2, O2, N2, CO, 및 미량의 CH4 를 포함하여 이루어진다.
상기 캐소드 매니폴드는 상기 캐소드 가스를 상기 연료 전지 스택(100)에 공급하도록 하는 캐소드 공급 매니폴드(210), 및 상기 연료 전지 스택(100)을 통과한 캐소드 가스가 배출되는 캐소드 배출 매니폴드(220)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 캐소드 공급 매니폴드(210)는 상기 연료 전지 스택(100)의 하부에 배치되며, 상기 캐소드 배출 매니폴드(220)는 상기 연료 전지 스택(100)의 상부에 배치된다.
즉, 상기 캐소드 가스를 공급하는 캐소드 공급 매니폴드(210)는 상기 연료 전지 스택(100)의 하부에 배치되고 상기 연료 전지 스택(100)을 통과한 캐소드 가스가 배출되는 캐소드 배출 매니폴드(220)는 상기 연료 전지 스택(100)의 상부에 배치된다. 여기서, 상부 및 하부라 함은 연료 전지 셀(110)의 적층방향을 지칭하는 개념으로, 적층 방향의 배향에 따라서 변동될 수 있으며, 어느 하나의 한정된 방위에 해당하지 않는다.
상기와 같은 캐소드 매니폴드의 배치에 따라서, 상기 캐소드 가스는 연료 전지 스택(100)의 하부에서 상부 방향으로 유동할 수 있다.
캐소드 가스의 유량은 연료 전지 스택(100)의 내부 유량 중 가장 많은 양을 차지하므로, 상기 캐소드 가스가 하부에서 상부로 유동함에 따라서, 연료 전지 셀(110) 내의 전해질의 손실이 방지되거나, 또는 손실 속도가 최소화 될 수 있다.
즉, 연료 전지 셀(110) 내의 전해질은 유체의 흐름에 따라 외부로 전달되거나, 또는 유실될 수 있으며, 이러한 전해질은 외부와 연결된 덕트를 타고 유출됨으로써, 연료 전지 스택(100) 및 용융탄산염 연료 전지(1) 전체의 수명이 단축될 수 있다.
그러나, 본 발명에 따른 용융탄산염 연료 전지(1)는 상기와 같은 구조의 캐소드 매니폴드를 포함하여, 도 2 에 도시된 바와 같이, 상기 캐소드 가스는 중력에 대해 반대 방향 M 으로 유동할 수 있다. 이에 따라서, 상기 전해질이 외부로 전달되어 유출되는 것이 방지되거나, 또는 최소화될 수 있다. 따라서, 연료 전지 스택(100) 및 용융탄산염 연료 전지(1)의 수명이 연장될 수 있다. 아울러, 전해질이 위에서 아래로 흐를 경우, 내부에서 유동하는 캐소드 가스의 유동 방향과 반대방향이 되어 흐름 속도가 최소화되므로 전해질의 유출 속도가 최소화될 수 있다.
아울러, 상기와 같이 캐소드 가스의 유량은 연료 전지 스택(100)의 내부 유량 중 가장 많은 양을 차지하므로, 상기 연료 전지 스택(100)의 면적에 대응하여 대면적의 캐소드 매니폴드가 구성될 수 있으며, 또한 캐소드 공급 매니폴드(210)가 하부에 배치됨에 따라서 용융탄산염 연료 전지(1) 전체의 높이가 낮아질 수 있으므로 구조적인 안정성이 향상될 수 있다.
또한, 상기 캐소드 가스가 하부에서 상부로 유동되므로, 대용량의 캐소드 가스가 균일하게 유동하여 전달될 수 있으며, 연료 전지 스택(100)의 각 부분에서의 반응이 균일하게 이루어져 연료 전지 스택(100) 및 용융탄산염 연료 전지(1) 전체의 성능이 확보될 수 있다.
바람직하게는, 상기 매니폴드는 애노드 가스가 유동하는 애노드 매니폴드를 포함하며, 상기 애노드 매니폴드는 애노드 가스를 상기 연료 전지 스택(100)에 공급하는 애노드 공급 매니폴드(310), 및 상기 연료 전지 스택(100)을 통과한 애노드 가스가 배출되는 애노드 배출 매니폴드(320)를 포함한다.
즉, 캐소드 매니폴드와 같이 애노드 유체를 공급하는 애노드 매니폴드가 구비될 수 있다. 상기 애노드 유체는 CH4 및 H2O 를 포함하며, 유체 이동간에 H2 가 생성될 수 있다.
이때, 바람직하게는, 상기 애노드 공급 매니폴드(310) 및 애노드 배출 매니폴드(320)는 각각 상기 연료 전지 스택(100)의 양 측부에 각각 배치되게 구성된다.
즉, 캐소드 매니폴드의 배치와 같이, 애노드 매니폴드를 구성하는 애노드 공급 매니폴드(310), 및 애노드 배출 매니폴드(320)는 상기 연료 전지 스택(100)에 대해서 소정의 배치를 가질 수 있으며, 상기 애노드 공급 매니폴드(310)와 애노드 배출 매니폴드(320)는 상기 연료 전지 스택(100)의 양 측부에 각각 배치될 수 있다.
상기와 같은 배치에 따라서, 상기 애노드 가스는 연료 전지 스택(100)의 측방향으로 유동할 수 있다. 즉, 도 2 에 도시된 바와 같이, 상기 애노드 가스는 측방향 N 으로 유동하며, 캐소드 가스는 상방향 M 으로 유동하여, 애노드 가스와 캐소드 가스는 서로 교차하여 유동할 수 있다.
이에 따라서, 상기 애노드 가스와 캐소드 가스의 연료 전지 스택(100)의 각 부분에 균일하게 공급되는 것이 달성될 수 있다. 또한, 상기 애노드 가스와 캐소드 가스가 교차하여 유동하므로 연료 전지 스택(100)이 배치된 공간 내에서 가스의 혼합과 같은 가스 유동의 적절한 제어가 이루어져, 본 발명에 따른 용융탄산염 연료 전지(1)의 성능이 개선될 수 있다.
이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100: 연료 전지 스택 110: 단위 전지 셀

Claims (6)

  1. 산화 환원 반응을 통해 전기에너지를 생산하는 용융탄산염 연료 전지에 있어서,
    복수의 연료 전지 셀이 적층된 구조를 갖는 연료 전지 스택;
    상기 연료 전지 스택에 대해서 유체가 공급되거나 또는 배출되도록 하는 매니폴드;를 포함하는 용융탄산염 연료 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 매니폴드는,
    유체가 안내되어 유동할 수 있는 덕트 구조를 갖는 용융탄산염 연료 전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    캐소드 가스가 유동하는 캐소드 매니폴드를 포함하며,
    상기 캐소드 매니폴드는,
    캐소드 가스를 상기 연료 전지 스택에 공급하는 캐소드 공급 매니폴드, 및
    상기 연료 전지 스택을 통과한 캐소드 가스가 배출되는 캐소드 배출 매니폴드를 포함하는 용융탄산염 연료 전지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 캐소드 공급 매니폴드는,
    상기 연료 전지 스택의 하부에 배치되며,
    상기 캐소드 배출 매니폴드는,
    상기 연료 전지 스택의 상부에 배치되는 용융탄산염 연료 전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 매니폴드는,
    애노드 가스가 유동하는 애노드 매니폴드를 포함하며,
    상기 애노드 매니폴드는,
    애노드 가스를 상기 연료 전지 스택에 공급하는 애노드 공급 매니폴드, 및
    상기 연료 전지 스택을 통과한 애노드 가스가 배출되는 애노드 배출 매니폴드를 포함하는 용융탄산염 연료 전지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 애노드 공급 매니폴드 및 애노드 배출 매니폴드는,
    각각 상기 연료 전지 스택의 양 측부에 각각 배치되는 연료 전지.
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