KR20150134358A - 발전 장치 - Google Patents

Abstract

발전 장치(1)는 연료 가스의 공급을 받는 연료극(5); 공기의 공급을 받는 공기극(6); 상기 연료극(5) 및 상기 공기극(6) 사이에 끼워 넣어진 전해질층(7); 적어도 일부에 상기 연료극(5) 또는 상기 공기극(6)이 노출되어, 상기 연료 가스 또는 상기 공기가 유통되는 기체 유로(3); 상기 기체 유로(3)내에 충전된 다공질체(8); 및 상기 다공질체(8)와 상기 연료극(5) 또는 상기 공기극(6)에 접하도록 개재하여, 상기 다공질체(8)에 형성되어 있는 구멍 지름 보다 큰 지름을 갖는 구멍이 균일하게 퍼져서 형성되고, 전기 전도성을 갖는 재질로 이루어진 다공 시트(9);를 구비하고 있다.

Description

발전 장치{GENERATOR DEVICE}

본 발명은 연료 가스를 연료 전지의 연료극에 공급하여 발전하는 발전 장치에 관한 것이다.

연료 전지는 연료극과 공기극 및 이들 사이에 위치하는 전해질로 이루어져 있다. 여기에 연료 가스 등을 공급하여 발전이 이루어진다. 특히, 고체 산화물형 연료 전지(SOFC)는 고체 산화물로 이루어진 전해질에 연료극(수소극)과 공기극(산소극)을 접합 등을 수행한 것으로, 연료극에 연료 가스를, 공기극에 공기 등을 각각 공급하여, 고출력의 전력을 발생시킬 수 있다. 또한, 고체 산화물형 연료 전지는 수소 가스 뿐 아니라, 일산화탄소를 다량으로 포함하는 가스(예를 들어, 자동차 등의 내연기관에 의해 구동하는 차량의 배기 가스)도 연료 가스로 사용할 수 있다.

이러한 고체 산화물형 연료 전지가 특허 문헌 1에 기재되어 있다. 이 전지에 있어서는 연료극과 공기극이 별도의 챔버(실;室)에 노출되어 있어, 각각의 챔버에서 수소 및 산소가 공급된다. 이와 같이 연료와 공기가 나뉘어져 공급, 반응하는 것과 같은 구조를 2 챔버형이라 한다. 한편, 연료와 공기가 동일한 유로를 흘러 공급, 반응하는 것과 같은 구조를 단일 챔버형이라 한다.

상술한 단일 챔버형이나 2 챔버형 모두, 가스가 통과하는 유로는 전극을 따라 형성되어 있다. 그리고 이 유로는 집전(集電)을 위해 전기 전도성이 뛰어난 재질로 이루어진 벽체로 덮여 있다. 그러나 배기 가스를 이용할 경우에는 저농도의 연료를 대량으로 흘릴 필요가 있기 때문에, 가스 유로의 부피를 크게 할 필요가 있다. 그러나, 가스 유로를 크게 하면 전극과의 접촉 면적이 작아져 버려, 집전(전기) 저항이 증대되어 버린다.

그래서 가스 유로를 벽체로 덮지 않고, 가스 유로에 전기 전도성이 뛰어난 다공질 금속이나 산화물 재료(예를 들어 발포 니켈 등)의 다공질체를 배치하여, 가스 유로의 확보와 함께 접촉 면적도 크게 하여 집전하는 기술이 알려져 있다. 그러나, 고체 산화물형 연료 전지는 고온(예를 들어 700℃~1000℃)에서 공기중의 산소와 연료를 이용하여 발전한다. 이러한 고온 환경에서 산소를 이용하기 때문에, 다공질체로서는 내산화성이 뛰어난 재료를 선택할 필요가 있다. 고온에서의 내산화성이 뛰어난 재료는 고가이고 비중도 무거워, 다공질화나 발포화 등의 성형이 어렵다.

일본특허공개공보 제2000-156239호

본 발명은 상기 종래 기술을 고려한 것으로, 가스 유로의 확보 및 집전을 위해 이용하는 다공질체를 형성하기 위한 발포 재료로서 발포성이 양호한 재료를 선택할 수 있고, 생산성이 뛰어난 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 연료 가스의 공급을 받는 연료극; 공기의 공급을 받는 공기극; 상기 연료극 및 상기 공기극 사이에 끼워 넣어진 전해질층; 적어도 일부에 상기 연료극 또는 상기 공기극이 노출되어, 상기 연료 가스 또는 상기 공기가 유통되는 기체 유로; 상기 기체 유로내에 충전된 다공질체; 및 상기 다공질체와 상기 연료극 또는 상기 공기극에 접하도록 개재하여, 상기 다공질체에 형성되는 구멍 지름 보다 큰 지름을 갖는 구멍이 균일하게 퍼져서 형성되고, 전기 전도성을 갖는 재질로 이루어진 다공 시트;를 구비하는 것을 특징으로 하는 발전 장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, 전기 전도성을 갖는 재질로 이루어진 다공 시트를 연료극 또는 공기극에 접하도록 하여 기체 유로내에 배치하므로, 다공 시트가 집전의 역할을 수행한다. 그러므로, 다공질체로 이용하는 재료에 집전 성능이 불필요해진다. 한편, 다공 시트가 갖는 구멍의 구멍 지름은 다공질체에 형성되어 있는 구멍의 구멍 지름 보다 크기 때문에, 설사 다공 시트로 다공질체를 덮어도 연료 가스나 공기로 이루어진 기체의 유통(流通)이 방해받지 않는다. 따라서, 가스 유로의 확보 및 집전을 위해 이용하는 다공질체를 형성하기 위한 발포 재료를 선택할 때 제약이 줄어들므로, 발포성이 양호한 재료를 선택할 수 있어, 결과적으로 생산성이 뛰어난 발전 장치를 제공할 수 있다. 나아가, 다공 시트의 구멍 지름이 큰 것은 다공 시트가 산화되어도 기체의 유통이 저해되지 않는 것에도 기여한다.

도 1은 본 발명에 따른 발전 장치의 길이 방향에서의 개략 단면도이다.
도 2는 도 1의 A－A 단면도이다.
도 3은 다공질체 및 다공 시트의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 발전 장치의 길이 방향에서의 개략 단면도이다.
도 5는 도 4의 B－B 단면도이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 발전 장치(1)는 연료 전지(2)와 기체 유로(3)를 구비하고 있다. 연료 전지(2)는 간격을 두고 복수(도 1의 예에서는 3개)가 나열되고, 해당 간격이 기체 유로(3)로서 형성되어 있다. 도 1의 예에서는 연료 전지(2)는 평판 형상이고, 각각의 연료 전지(2)는 그 옆 가장자리가 벽체(4)에 접속되어 있다. 따라서, 기체 유로(3)는 연료 전지(2)와 벽체(4)가 협력하여 기능하는 것에 의해 관 형상으로 형성된다. 연료 전지(2)는 연료극(5)과 공기극(6), 및 이들 사이에 밀착되어 끼워 넣어져 있는 고체 산화물로 이루어진 전해질층(7)을 갖고 있다. 연료 전지(2)가 늘어서 배치되어 설치되어 있는 것에 의해, 기체 유로(3)에는 연료 전지(2)의 연료극(5)이 노출되는 동시에, 별도의 연료 전지(2)의 공기극(6)이 노출되어 있다.

기체 유로(3)에는 연료 가스 및 공기 모두(예를 들어 자동차의 배기 가스)가 유통된다(도 1의 화살표 방향). 연료극(5)에는 연료 가스가, 공기극(6)에는 공기가 각각 공급된다. 보다 자세하게는 공기극(6)은 공기중의 산소를 환원하고, 환원된 산소 이온이 전해질층(7)을 통과하여, 연료극(5)에서 연료 가스중의 수소와 반응하여 물을 생성한다. 이 때, 연료극(5)에서 생긴 전자가 회로(미도시)를 이동하여, 공기극(6)에서 다시 산소를 이온화하는 동시에, 회로에 전류가 흘러 발전된다. 이와 같이, 기체 유로(3)를 흐르는 기체중의 산소나 수소를 연료극(5)이나 공기극(6)을 통해 집어 넣을 필요가 있으므로, 기체 유로(3)의 적어도 일부에 연료극(5)이나 공기극(6)이 노출될 필요가 있지만, 바람직하게는 도 1에서 나타낸 바와 같이 기체 유로(3)의 길이 방향을 따라 전체면에 노출되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 연료 전지(2)는 고체 산화물을 이용하여 전해질층(7)을 형성하므로 고체 산화물형 연료 전지(SOFC)가 된다. 특히 기체 유로(3)에 배기 가스를 흘리는 경우에는 고온에 견딜 수 있고, 촉매가 불필요하고, 출력 밀도가 높음에 의해 소형화될 수 있기 때문에, SOFC를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 배기 가스를 이용할 경우, 연료극(5)의 상류측에 연료 개질재를 마련해 두는 것이 바람직하다. 이 연료 개질재는 배기 가스 중의 탄화수소나 물 등을 수소로 변환하기 위한 것으로, 수소 농도를 향상시키는 것이다.

여기서, 기체 유로(3)에는 다공질체(8)가 충전되어 있다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 이 다공질체(8)는 다공 시트(9)에 의해 덮여 있다. 다공 시트(9)는 다공질체(8)과 함께 기체 유로(3)에 충전된 상태로, 연료극(5)과 공기극(6)에 접하고 있다. 다공질체(8)는 임의의 재료를 발포시켜 얻어진 발포체인데 반해, 다공 시트(9)는 선형 망(wire net)등의 메쉬 체(mesh body)나 펀칭 메탈(punching metal) 등이 이용된다. 즉, 다공 시트(9)에는 구멍이 균일하게 퍼져서 형성되어 있다. 그리고, 도 1~3의 예에서는 금속선을 격자형상으로 형성한 선형 망을 나타내고 있다. 그러므로, 다공 시트(9)에 형성된 구멍의 구멍 지름은 다공질체(8)에 형성된 구멍의 구멍 지름 보다 크다. 다공질체(8)를 배치함으로써, 기체 유로(3)를 흐르는 연료 가스나 공기의 확산성을 향상시켜 각 전극(5, 6)의 반응성을 높일 수 있지만, 다공 시트(9)의 구멍 지름이 크기 때문에 다공질체(8)를 다공 시트(9)로 덮어도 이 확산성에 영향을 주지는 않는다. 그리고, 공기중의 산소에 의한 산화를 방지하기 위해, 다공 시트(9)는 내산화성을 갖는 재료로 형성하는 것이 바람직하다.

다공 시트(9)는 전기 전도성이 뛰어난 재료(예를 들어 금속)로 형성되어 있다. 이와 같이 전기 전도성을 갖는 재질로 이루어진 다공 시트(9)를 연료극(5) 또는 공기극(6)에 접하도록 하여 기체 유로(3)내에 배치하므로, 다공 시트(9)가 집전의 역할을 수행하게 된다. 그러므로, 다공질체(8)를 형성하는 재료에 집전 성능이 불필요해진다. 따라서, 기체 유로(3)의 확보(상술한 확산성) 및 집전을 위해 이용하는 다공질체(8)를 형성하기 위한 발포 재료를 선택할 때의 제약이 줄어들므로, 발포성이 양호한 재료를 선택할 수 있어, 결과적으로 생산성이 뛰어난 발전 장치(1)를 제공할 수 있다. 즉, 발포하여 얻어지는 다공질체(8)의 재료로서 내산화성까지 고려한 고가의 재료를 이용할 필요가 없어져, 중량도 최저한으로 억제할 수 있다. 또한, 다공 시트(9)의 구멍 지름이 큰 것은 산화되어도 기체의 유통이 저해되지 않는 것에도 기여하고 있다. 그리고, 도 1~도 3의 예에서는 연료 가스 또는 공기의 유통 방향에서 보아 다공질체(8)의 전후 방향에는 연료 가스 또는 공기의 양호한 유통성 확보의 관점에서 다공 시트(9)가 덮여 있지 않지만, 이러한 다공질체(8)의 전후 방향 측에도 다공 시트(9)를 덮도록 배치할 수도 있다.

도 1 및 도 2에서 나타내는 것과 같은 동일한 기체 유로(3)에 연료 가스 및 공기가 흐르는 것 같은 단일 챔버형 발전 장치의 경우, 동일한 기체 유로(3)에 연료극(5) 및 공기극(6) 모두가 각각 노출되어 있다. 이러한 단일 챔버형의 경우, 다공 시트(9) 중, 연료극(5)과 공기극(6)에 접하는 부위는 서로 상이한 재료로 형성할 수도 있다. 즉, 이른바 단일 챔버형의 고체 산화물형 연료 전지의 경우, 하나의 기체 유로(3)에 연료극(5)과 공기극(6)이 노출하게 되지만, 이러한 경우에 다공 시트(9) 중, 연료극(5)과 공기극(6)에 접하는 부위를 상이한 재료로 형성함으로써, 각각의 극(5, 6)과 접하기에 적절한 재료를 이용할 수 있다. 그리고, 이 경우의 재료는 다공 시트(9)의 표면 처리로 얻을 수도 있고, 다공 시트(9) 자체를 해당 재료로 할 수도 있다. 특히, 공기극(6)과 접하는 부위를 크롬화 처리하면, 산화되기 쉬운 환경인 공기극(6) 근방에서의 산화를 줄일 수 있고, 크롬이 연료극(5)에 끼치는 영향도 방지할 수 있다(연료극(5)의 크롬 중독을 방지할 수 있다). 또한, 다공 시트(9)를 미리, 기체 유로(3)에 노출되는 연료극(5) 또는 공기극(6)에 접합해 둘 수도 있다. 미리 다공 시트(9)를 연료극(5) 또는 공기극(6)에 접합함으로써, 다공질체를 통해 복수의 연료 전지를 배치할 때에 효율적으로 조립할 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 다른 발전 장치(10)를 나타내고 있다. 이 장치(10)는 이른바 2 챔버형으로 불리는 것이다. 즉, 연료 전지(2)가 간격을 두고 배열되어 있는 것은 단일 챔버형과 동일하지만, 연료 전지 사이에는 격벽체(11)가 개재되어 있다. 따라서, 기체 유로(3)는 연료 전지(2)와 격벽체(11), 및 벽체(4)로 둘러싸여 형성된다. 그러므로, 하나의 기체 유로(3)에는 연료 전지(2) 중 어느 하나의 전극(5, 6)만이 노출되게 된다. 연료극(5)만이 노출되는 기체 유로(3a)에는 연료 가스만이 유통된다(도 4의 화살표 C 방향). 공기극(6)만이 노출되는 기체 유로(3b)에는 공기만이 유통된다(도 4의 화살표 D 방향). 이러한 구조를 갖는 2 챔버형 발전 장치(10)라도, 기체 유로(3)에 다공 시트(9)로 덮인 다공질체(8)를 충전하여, 상술한 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 기타 구성, 작용은 도 1 및 도 2의 예와 동일하다.

＜본 발명의 태양＞

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 연료 가스의 공급을 받는 연료극; 공기의 공급을 받는 공기극; 상기 연료극 및 상기 공기극 사이에 끼워 넣어진 전해질층; 적어도 일부에 상기 연료극 또는 상기 공기극이 노출되어, 상기 연료 가스 또는 상기 공기가 유통되는 기체 유로; 상기 기체 유로내에 충전된 다공질체; 및 상기 다공질체와 상기 연료극 또는 상기 공기극에 접하도록 개재하여, 상기 다공질체에 형성되는 구멍 지름 보다 큰 지름을 갖는 구멍이 균일하게 퍼져서 형성되고, 전기 전도성을 갖는 재질로 이루어진 다공 시트;를 구비하는 것을 특징으로 하는 발전 장치를 제공한다.

바람직하게는 상기 연료극, 상기 공기극, 상기 전해질층으로 형성된 복수의 연료 전지를 갖고, 상기 복수의 연료 전지는 상기 기체 유로를 통해 각각 배치되고, 상기 기체 유로에는 상기 연료극 및 상기 공기극 모두가 노출되고, 상기 다공 시트 중, 상기 연료극과 상기 공기극에 접하는 부위는 서로 상이한 재료로 형성되어 있다.

이른바 단일 챔버형의 고체 산화물형 연료 전지에 이용할 경우, 하나의 기체 유로에 연료극과 공기극이 노출되게 되지만, 이러한 경우에 다공 시트 중, 연료극과 공기극에 접하는 부위가 상이한 재료로 형성하는 것에 의해, 각각의 극에 적합한 재료를 이용할 수 있다. 그리고, 이 경우의 재료는 다공 시트의 표면 처리로 얻을 수도 있고, 다공 시트 자체를 해당 재료로 할 수도 있다.

바람직하게는 상기 다공 시트 중, 상기 공기극과 접하는 부위만이 크롬화 처리되어 있다. 공기극과 접하는 부위를 크롬화 처리하면, 산화되기 쉬운 환경인 공기극 근방에서의 산화를 줄일 수 있고, 크롬이 연료극에 끼치는 영향도 방지할 수 있다.

(부호의 설명)

1:　발전 장치 2:　연료 전지

3:　기체 유로 4:　벽체

5:　연료극 6:　공기극

7:　전해질층 8:　다공질체

9:　다공 시트 10:　발전 장치

11:　격벽체

Claims (3)

1. 연료 가스의 공급을 받는 연료극;
   공기의 공급을 받는 공기극;
   상기 연료극 및 상기 공기극 사이에 끼워 넣어진 전해질층;
   적어도 일부에 상기 연료극 또는 상기 공기극이 노출되어, 상기 연료 가스 또는 상기 공기가 유통되는 기체 유로;
   상기 기체 유로내에 충전된 다공질체; 및
   상기 다공질체와 상기 연료극 또는 상기 공기극에 접하도록 개재하여, 상기 다공질체에 형성되는 구멍 지름 보다 큰 지름을 갖는 구멍이 균일하게 퍼져서 형성되고, 전기 전도성을 갖는 재질로 이루어진 다공 시트;를 구비하는 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 연료극, 상기 공기극, 상기 전해질층으로 형성된 복수의 연료 전지를 갖고,
   상기 복수의 연료 전지는 상기 기체 유로를 통해 각각 배치되고,
   상기 기체 유로에는 상기 연료극 및 상기 공기극 모두가 노출되고,
   상기 다공 시트 중, 상기 연료극과 상기 공기극에 접하는 부위는 서로 상이한 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 다공 시트 중, 상기 공기극과 접하는 부위만이 크롬화 처리되어 있는 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
   
   

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