KR20160043830A - 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트 - Google Patents

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Abstract

고체산화물 전지에서 발생하는 국소전류밀도의 불균형 현상과 고체산화물 전지의 전극으로 공급되는 유체의 불균일한 유동을 방지할 수 있는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트를 제공한다. 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트는 본체의 일면 또는 양면에 유체가 유동하는 복수의 유로를 포함하고, 상기 유로의 적어도 일부는 상기 유체가 유입되는 입구측보다 유출되는 출구측의 높이가 낮다. 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트는 종래 유체가 주로 흘러가는 영역(입구에서 출구를 향하는 방향에 놓인 유로)의 유로 높이를 낮게 함으로써 상대적으로 덜 흘러가는 영역과의 유동 편차를 줄이므로 유체의 불균일한 유동 발생을 해소할 수 있다. 따라서, 출구측의 온도나 농도 변화없이 효율적인 발전이나 전기분해를 할 수 있도록 한다.

Description

고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트{Bipolar plate for solid oxide cell}
본 발명은 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 고체산화물 전지에서 발생하는 국소전류밀도의 불균형 현상과 고체산화물 전지의 전극으로 공급되는 가스들의 불균일한 유동을 방지하고자 하는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.
일반적으로 연료 전지는 천연가스, 석탄가스, 메탄올 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학 반응에 의해서 직접 전기 에너지로 변환시키는 고효율의 청정 발전기술로서, 사용되는 전해질의 종류에 따라 알카리형, 인산형, 용융탄산염, 고체산화물 및 고분자 연료 전지로 분류된다.
그 중 고체산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 구성요소가 모두 고체의 형태로 구성되어 600℃~1000℃ 정도의 고온에서 작동하고, 종래 여러 형태의 연료 전지들 중 가장 효율이 높고 공해가 적을 뿐 아니라, 연료 개질기를 필요로 하지 않고 복합발전이 가능하다는 장점을 지니고 있다. 이러한 SOFC는 전기화학 반응을 역으로 진행시켜 고온 수전해장치인 고체산화물 전기분해조(Solid Oxide Electrolyzer Cell, SOEC)로 이용될 수 있고, SOFC와 SOEC를 포함하여 고체산화물 전지라고 부르기도 한다. SOFC는 대규모 분산용 발전뿐만 아니라 가정용 혹은 소규모 주거단지와 수송용을 위한 발전 장치로 개발되고 있다. 최근에는 SOEC를 이용하여 지구온난화의 주범인 온실가스, 이산화탄소를 증기와 함께 전기분해하여 합성가스를 생산하고, 메탄올, 가솔린 등의 다양한 액체연료로 전환하는 에너지 저장 및 온실가스 재활용이 주목을 받고 있다.
고체산화물 전지의 핵심 구성요소인 단전지(single cell)는 산소 이온 전도성을 갖는 전해질과 그 양면의 전극으로 구성된다. SOEC의 경우, 연료극에 고온의 증기를 공급하고 전기를 인가하면 물이 전기분해되어 수소와 산소 이온이 생성되며, 산소 이온은 전해질을 통해 공기극으로 이동하여 환원되므로 순수한 산소와 수소가 분리되어 생성된다. SOFC의 경우, 공기극과 연료극에 산소와 연료를 각각 공급해 주면 공기극에서는 산소의 환원반응이 일어나 산소 이온이 생성되어 전해질을 통해 연료극으로 이동하며, 연료극에서는 연료가 산화되어 산소 이온과 반응하여 물을 생산하면서 전자가 발생하여 열과 전기를 발생시키게 된다.
이러한 고체산화물 전지는 그 출력을 높이기 위해 단전지가 바이폴라 플레이트를 통해 전기적으로 연결되는 스택 구조로 되어 있다. 바이폴라 플레이트에는 연료나 가스 공급을 위한 유로가 제공되고 전지의 어느 한 쪽에서 가스를 분리시키고 또한 전지들 사이에서 직렬 연결을 확립하며, 전지의 어느 한 쪽으로부터 도입되거나 생성되는 가스들간의 혼합을 막기 위해 제공된다.
도 1은 종래의 바이폴라 플레이트의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 살펴보면, 종래의 바이폴라 플레이트(10)는 유체의 입구에서 출구까지 복수의 직선 유로(15)를 바이폴라 플레이트(10)에 형성하거나 유로(15)의 진행방향과 수직한 방향의 유로(20)를 유체의 입구부터 출구에까지 1-2회 동일 간격으로 추가하여 형성하는 구조를 가진다.
바이폴라 플레이트는 유체가 유동하는 유로를 형성함으로써, 고체산화물 전지에 도입되거나 생성되는 가스가 섞이지 않고 전극에 균일하게 흘러가도록 하여야 한다. 그런데 상술된 종래의 바이폴라 플레이트(10)는 연료 사용량이 증가하는 경우 바이폴라 플레이트(10) 내부로 유입되는 유체의 유량 증가와 함께 입/출구에 정체되는 유체의 유량 또한 증가하여 고체산화물 전지의 국소전류밀도가 고체산화물 전지 전영역에 걸쳐 균형을 이루지 못하고, 국소전류밀도와 비례하는 발생열이 반응면 전체에서 국부적으로 증가하는 문제점을 가지고 있으며, 이는 반응면의 국소적인 열화현상으로 이어짐으로써 고체산화물 전지의 성능 저하를 촉진시키게 된다.
특히, 종래의 바이폴라 플레이트(10)는 출구측에서도 유체가 주로 흘러가는 영역(입구에서 출구를 향하는 방향에 놓인 유로)과 상대적으로 덜 흘러가는 영역이 생겨 불균일한 유동이 발생하는 문제가 심각하다. 이로 인해 출구측의 유체 온도나 농도가 변화하기 때문에 효율적인 발전이나 전기분해를 하지 못하는 문제가 있다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고체산화물 전지에서 발생하는 국소전류밀도의 불균형 현상과 고체산화물 전지의 전극으로 공급되는 유체의 불균일한 유동을 방지할 수 있는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트는 본체의 일면 또는 양면에 유체가 유동하는 복수의 유로를 포함하고, 상기 유로의 적어도 일부는 상기 유체가 유입되는 입구측보다 유출되는 출구측의 높이가 낮다.
일 실시예에 있어서, 상기 유로는 출구측에 상기 유로 높이를 일부 차단하는 블록(block)을 가진다. 다른 실시예에 있어서, 상기 유로의 높이는 상기 입구측에서 출구측으로 갈수록 낮아진다. 또 다른 실시예에 있어서, 상기 입구측보다 상기 출구측의 높이가 낮은 유로는 상기 출구측에 형성되는 배기 매니폴드 부근에 형성된다.
상기 유로의 단면은 정사각형, 직사각형, 마름모, 사다리꼴 및 물결(wave) 형태 중 어느 하나에 해당할 수 있고, 상기 출구측의 유로의 높이는 상기 입구측의 유로 높이의 1/2일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 다른 바이폴라 플레이트는 유체가 유동하는 복수의 유로가 음각되어 형성된 플레이트 홈; 상기 플레이트 홈에 연통되어 상기 유체가 상기 플레이트 홈으로 유입되도록 하는 흡기 매니폴드; 및 상기 플레이트 홈에 연통되어 상기 플레이트 홈으로 유입된 유체가 외부로 유출되도록 하는 배기 매니폴드를 포함하고, 상기 유로의 적어도 일부는 상기 흡기 매니폴드측보다 상기 배기 매니폴드측의 높이가 낮다.
하나의 구체적인 실시예에 있어서, 상기 복수의 유로를 통해 복수의 채널로 분리된 유체가 다시 혼합되도록 상기 유로의 진행방향과 수직한 방향으로 음각되어 형성된 유체혼합부를 더 포함한다. 상기 유체혼합부는, 상기 흡기 매니폴드 및/또는 상기 배기 매니폴드 부근에 밀집하여 형성될 수 있다.
상기 유로의 폭 및 상기 유로간의 간격은 전 영역에 걸쳐 일정한 것일 수 있다. 상기 유로 및 유로혼합부의 단면은 정사각형, 직사각형, 마름모, 사다리꼴 및 물결 형태 중 어느 하나에 해당할 수 있다.
본 발명에 따른 바이폴라 플레이트는 종래 유체가 주로 흘러가는 영역(입구에서 출구를 향하는 방향에 놓인 유로)의 유로 높이를 낮게 함으로써 상대적으로 덜 흘러가는 영역과의 유동 편차를 줄이므로 유체의 불균일한 유동 발생을 해소할 수 있다. 따라서, 출구측 유체의 온도나 농도 변화없이 효율적인 발전이나 전기분해를 할 수 있도록 한다.
본 발명에 따르면, 유로의 진행방향과 수직하는 방향의 유체혼합부를 흡기 매니폴드 및/또는 배기 매니폴드의 부근에 밀집하게 형성하여 전기화학 반응이나 전기분해 반응 경로를 길게 할 뿐만 아니라, 유체가 단순히 지그재그로만 흐르지 않고, 바이폴라 플레이트 전체에 거의 동일한 유속으로 흐르도록 조절하여 고체산화물 전지의 국소전류밀도 불균형을 방지함으로써, 국소전류밀도와 비례하는 반응열의 국부적 발생을 방지하고 고체산화물 전지의 수명을 증가시키는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 고체산화물 전지에 구성된 멤브레인 전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly , MEA)에 연료, 반응가스 등의 유체를 균일하게 공급하도록 함으로써, 고체산화물 전지의 효율을 증가시키며 고체산화물 전지의 성능저하를 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 바이폴라 플레이트의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3과 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 단면도로서 도 2의 III-III' 단면과 IV-IV' 단면에 각각 해당된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 단면도로서 도 2의 IV-IV' 단면에 해당된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이폴라 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 7은 도 6의 A-B의 단면을 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이폴라 플레이트에서 유체의 유동상태를 도시한 평면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 11a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트의 단면을 도시한 단면도이다.
도 11b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트의 단면을 도시한 단면도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 살펴보면, 바이폴라 플레이트(50)는 본체의 일면 또는 양면에 유체가 유동하는 복수의 유로(60)를 포함한다. 바이폴라 플레이트(50)가 단전지 사이에 오는 경우에는 양면에 유로를 포함하고, 단전지 일측에 오는 엔드플레이트로 사용되는 경우에는 일면에 유로를 포함한다.
유로(60)는 본체에 음각으로 새겨지며 유체의 입구에서 출구까지 복수의 직선 유로이다. 도면에서 바이폴라 플레이트(50)는 유로(60)의 진행방향과 수직한 방향의 유로(65)를 유체의 입구부터 출구에까지 동일 간격으로 추가하여 형성하는 구조를 가진다. 후술하는 실시예에서는 유로의 진행방향과 수직하는 방향의 유체혼합부를 흡기 매니폴드 및/또는 배기 매니폴드의 부근에 밀집하게 형성한 구조의 바이폴라 플레이트를 볼 수 있다.
도시한 바와 같이 입구측에 3개의 흡기 매니폴드(70)와 출구측에 2개의 배기 매니폴드(75)를 가지는 경우, 입구에서 출구를 향하는 방향(검은색 화살표)에 놓인 유로는 유량이 주로 흘러가는 영역이고, 그들 사이의 A1 ~ A3로 표시한 영역은 상대적으로 유량이 덜 흐르는 부분이라 불균일한 유동이 발생할 수 있다.
본 발명에서는 유로(60) 중 일부, 특히, 상기 출구측에 형성되는 배기 매니폴드(75) 부근에 형성되는 유로(60)를 유체가 유입되는 입구측보다 유출되는 출구측의 높이가 낮도록 함으로써 이러한 문제를 해결한다. 출구측에 있는 모든 유로(60)의 높이를 입구측보다 낮게 하는 것이 아니라, 출구측에서도 특히 입구에서 출구를 향하는 방향(검은색 화살표)에 놓인 유로의 높이를 낮게 하여 유동 불균일을 해소한다.
도 3과 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 플레이트(50)의 단면도로서 도 2의 III-III' 단면과 IV-IV' 단면에 각각 해당된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 바이폴라 플레이트(50)에서 유로(60)는 출구측에 상기 유로(60) 높이를 일부 차단하는 블록(62)을 가진다. 블록(62)은 높이가 t인 유로(60) 높이를 일부 차단하여 1/2t 높이가 유체 유동에 이용이 되도록 함으로써, 유체가 유입되는 입구측보다 유출되는 출구측의 높이가 낮도록 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 단면도로서 도 2의 IV-IV' 단면에 해당된다.
도 5를 참조하면, 유로(60)의 높이는 상기 입구측에서 출구측으로 갈수록 낮아진다. 입구에서부터 연속적으로 경사를 주어 출구까지 유체가 지나가는 유로(60)의 높이를 다르게 만든다. 입구에서의 유로 높이가 t인 경우 출구에서의 유로 높이는 1/2t가 되는 식으로 순차적으로 유로 높이를 감소시킨다.
위 실시예들에서 유로(60)의 단면은 직사각형인 경우를 예로 들었으나, 유로의 단면은 정사각형, 마름모, 사다리꼴 또는 물결 형태일 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트(50)는 종래 유체가 주로 흘러가는 영역(입구에서 출구를 향하는 방향에 놓인 유로)의 유로를 입구측보다 출구측 높이를 낮게 함으로써 상대적으로 덜 흘러가는 영역과의 유동 편차를 줄이므로 유체의 불균일한 유동 발생을 해소할 수 있다. 따라서, 출구측의 유체온도나 농도 변화없이 효율적인 발전이나 전기분해를 할 수 있도록 한다. 바이폴라 플레이트를 굴곡지게 만들어서 출구에서 먼 유로는 잘 흐르고 출구에 가까운 유로는 덜 흐르게 하여 전체적인 유량 및 유동을 균일하게 하는 구성이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이폴라 플레이트를 도시한 평면도이고, 도 7은 도 6의 A-B 단면을 도시한 단면도이고, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이폴라 플레이트에서 유체의 유동상태를 도시한 평면도이다.
도 6을 참조하면, 바이폴라 플레이트(100)는 입구유로(111), 출구유로(112), 흡기 매니폴드(121), 배기 매니폴드(122), 플레이트 홈(130), 유로(141, 142, 143) 및 유체 혼합부(151, 152)를 포함하여 구성될 수 있다.
바이폴라 플레이트(100)의 한쪽 끝에는 흡기 매니폴드(121)와 연통되어 외부로부터 연료나 반응가스와 같은 유체가 유입되는 통로인 입구유로(111)가 형성될 수 있고, 그 반대편에는 배기 매니폴드(122)와 연통되어 상술한 유체 또는 반응으로 발생된 생성가스가 배기 매니폴드(122)를 통해 한 곳으로 모여 외부로 유출되는 통로인 출구유로(112)가 형성될 수 있다.
흡기 매니폴드(121)는 입구유로(111)로 유입된 유체가 복수의 배관(미도시)을 통해 분리되어 유동하도록 하는 역할을 수행할 수 있고, 반대로 배기 매니폴드(122)는 분리되어 유동하는 유체를 상술된 출구유로(112)로 모으는 역할을 수행할 수 있다. 또한 흡기 매니폴드(121)는 입구유로(111)를 통해 유입되는 유체의 유량에 따라 개폐를 조절함으로써, 유입되는 유량을 조절하는 역할을 수행할 수 있다.
본 발명에 있어서, 흡기 매니폴드(121) 및 배기 매니폴드(122)의 형태는 도 6 및 도 8에 도시된 형태에 한정되지 않고, 바이폴라 플레이트(100)에 연통되어 상술한 흡기 매니폴드(121) 및 배기 매니폴드(122)의 역할을 수행하는 한 어떠한 형태든 상관없으며 예를 들어, 원형, 직사각형, 정사각형 또는 타원 형태일 수 있다.
플레이트 홈(130)은 유로(141, 142, 143) 및 유체혼합부(151, 152)가 일정한 깊이로 음각되어 형성될 수 있으며, 흡기 매니폴드(121) 및 배기 매니폴드(122)와 연통되어 외부에서 플레이트 홈(130)으로 유체가 유입 및 유출된다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 유로(141, 142, 143) 중 배기 매니폴드(122) 부근에 형성되는 유로(142)는 흡기 매니폴드(121) 부근에 형성되는 유로(141)에 비하여 높이가 낮아, 출구측 유동 불균일을 해소한다. 유로(142)는 출구측에 상기 유로(142) 높이를 일부 차단하는 블록을 가지거나, 출구측으로 갈수록 유로(142) 높이가 낮아지는 경사를 형성하여 유로(142) 높이를 감소시키는 구성일 수 있다.
특히, 본 실시예에서는, 플레이트 홈(130)으로 유입된 유체가 복수의 유로(141, 142, 143)의 유로를 따라 분리되어 유동하고, 유로(141, 142, 143)의 진행방향과 수직하여 음각된 유체혼합부(151, 152)를 통해 다시 혼합된다. 유로(141, 142, 143) 및 유체혼합부(151, 152)를 통해 유체는 분리와 혼합을 반복하게 됨으로써 균일한 유체 공급 및 배기가 가능해진다.
플레이트 홈(130)의 유로(141, 142, 143)는 음각되어 형성됨으로써, 상부가 개방되어 유로(141, 142, 143)의 유로에 흐르는 유체가 멤브레인 전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly, MEA)와 접촉할 수 있다.
도 7을 참조하여 고체산화물 전지의 MEA(210) 구조 및 MEA(210)와 함께 구성된 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트(100, 100')를 자세히 살펴보면, MEA(210)는 전해질막(211), 애노드(212, 또는 연료극) 및 캐쏘드(213, 또는 공기극)로 구성되며, 애노드(212) 및 캐쏘드(213) 각각은 촉매층(212a, 213a), 확산층(212b, 213b), 전극 지지체(212c, 213c)로 구성된다. 이러한 MEA(210) 양면에는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트(100, 100')가 각각 맞닿아 접촉한다.
이와 같은 구조가 SOFC로 이용이 되는 경우, 바이폴라 플레이트(100)의 유로 중에서 MEA(210)와 접촉하는 유로(141, 142, 143)를 통해 연료가 공급되고 반대편에 바이폴라 플레이트(100')의 유로(141', 142', 143')를 통해 반응가스가 공급된다. 애노드(212)에 연료인 수소가 공급되면 전기화학적 산화 반응이 일어나면서 양이온과 전자(e-)로 이온화되고 그 이온화된 양이온은 전해질을 통해 캐쏘드(213)로 이동하게 된다. 상술된 캐쏘드(213)로 이동한 양이온은 그 캐쏘드(213) 측으로 공급되는 반응가스의 산소와 전기화학적 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물 등의 부산물을 발생시키게 된다. 이 과정에서 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다. 또한, 애노드(212)에서 반응을 거친 연료와 캐쏘드(213)에서 발생되는 물 및 기타 부산물은 배기 매니폴드(122)와 출구유로(112)를 거쳐 외부로 유출된다. 여기서, 플레이트 홈(130)에 음각되어 형성된 유로(141, 142, 143) 및 유체혼합부(151, 152)는 상술한 바와 같이, 상부가 개방되어 있고 그 외의 영역은 MEA(210)와 맞닿아 지지대 역할을 수행할 수 있다.
이와 같은 구조가 SOEC로 이용이 되는 경우, 바이폴라 플레이트(100)의 유로 중에서 MEA(210)와 접촉하는 유로(141, 142, 143)를 통해 수증기와 같은 연료가 공급되고 반대편 바이폴라 플레이트(100')의 유로(141', 142', 143')를 통해서는 생성가스가 유동하게 된다. 애노드(212)에 증기를 공급하고 전기를 가해주면 전기분해 반응이 일어나면서 수소 가스와 산소 이온이 발생한다. 산소 이온은 전해질을 통해 캐쏘드(213)로 이동하게 된다. 캐쏘드(213)로 이동한 산소 이온은 그 캐쏘드(213)측에서 전자를 내놓으며 산소가스가 된다. 이와 같이 증기가 수소와 산소로 분해되어, 애노드(212)에서 반응을 거친 수증기와 수소, 캐쏘드(213)에서 발생되는 산소는 배기 매니폴드(122)와 출구유로(112)를 거쳐 외부로 유출된다.
이러한 SOFC나 SOEC는 연료 또는 반응가스가 유입되어 화학 반응을 거쳐 유출되는 과정에 있어서, 연료 이용률이 증가하는 경우 유입되는 연료 또는 반응가스의 유량이 증가하고 애노드(212)에서 반응을 거친 연료와 캐쏘드(213)에서 발생되는 생성가스의 양 또한 증가하게 된다. 이에 따라, 흡기 매니폴드(121) 및 배기 매니폴드(122) 부근의 플레이트 홈(130)에서 발생하는 국소전류밀도의 불균형과 MEA(210)로 공급되는 유체의 불균형을 해소하기 위하여, 플레이트 홈(130)을 흡기 매니폴드(121)와 접한 입구영역(161) 및 배기 매니폴드(122)와 접한 출구영역(162) 그리고 이외의 중간영역(163)으로 나누어 영역별로 유로(141, 142, 143) 및 유체혼합부(151, 152)의 구성을 상이하게 형성할 수 있다.
구체적으로, 플레이트 홈(130)의 입구영역(161) 및 출구영역(162)에는 유로(141, 143) 및 유체혼합부(151, 152)가 음각되어 있고, 플레이트 홈(130)의 중간 영역(163)에는 유로(143)만이 음각되어 있다. 이로 인해, 입구영역(161) 및 출구영역(162)에는 중간 영역(163)에 없는 유체혼합부(151, 152)가 밀집되어 형성되어 있으므로, 유로(141, 142, 143)로 인해 복수의 채널로 분리되어 유동하던 유체가 다시 혼합되어 유동하고, 이를 반복함으로써 흡기 매니폴드(121) 및 배기 매니폴드(122) 부근의 플레이트 홈(130)에서 발생하는 국소전류밀도의 불균형 및 MEA(210)로 공급되는 유체의 불균형을 방지할 수 있다.
한편, 중간 영역(163) 중앙에는 유로(141, 142, 143)와 수직한 방향의 유로를 갖는 횡유로(173)가 음각되어 있고, 이로 인해 유체의 유동거리가 긴 중간 영역(163)에서 발생할 수 있는 승압 현상을 방지하는 역할을 수행한다.
도 7에 도시한 바와 같이, 유로(141)는 출구측에 상기 유로(142) 높이를 일부 차단하는 블록을 가짐으로써 입구측 유로(141) 높이가 t라면 출구측에 가까운 유로(142) 높이는 1/2t가 되는 것처럼 유로 높이가 출구측에 가까운 쪽이 낮아지는 구성을 갖는다.
또한, 상술된 횡유로(173)를 통해 흡기 매니폴드(121) 및 배기 매니폴드(122) 부근의 유로(141, 142, 143)에서 발생하는 압력차를 감소시킴으로써, 상압의 운전환경에도 바이폴라 플레이트(100)를 운전 가능하도록 하는 역할을 수행한다. 고체산화물 전지의 균일한 국소전류밀도와 MEA(210)로 공급되는 유체의 유량을 일정하게 유지하기 위하여, 입구영역(161) 및 출구영역(162)의 유체혼합부 유로폭(151W, 152W)은 각각 같은 규격으로 형성되고 모든 영역(161, 162, 163)의 유로 유로길이(141L, 142L, 143L) 보다 짧게 형성될 수 있다. 또한, 상술된 일정한 국소전류밀도와 균일한 유체의 공급을 위하여, 모든 영역(161, 162, 163)의 유로(141, 142, 143)간의 간격은 동일하게 형성되고, 폭(141W, 142W, 143W)은 같은 규격으로 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 유로(141, 142, 143) 및 유체혼합부(151, 152)의 단면 형태는 도 7에 도시된 형태에 한정되지 않고, 바이폴라 플레이트(100)의 플레이트홈(130)에 음각되어 상술한 유로(141, 142, 143) 및 유체혼합부(151, 152)의 역할을 수행하는 한 어떠한 형태든 상관없으며 예를 들어, 물결 형태의 단면일 수 있다. 자세한 단면 형태는 후술되는 도 11a 및 도 11b를 참조하여 설명하도록 한다.
도 8을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이폴라 플레이트(100)에서 유체의 유동상태를 살펴보면, 입구유로(111)로 유입된 유체가 흡기 매니폴드(121)를 통해 입구영역(161)의 유로로 진입하게 된다.
이후 유로를 따라 유체는 분리되어 유동하고 이후 만나는 유체혼합부를 통해 합쳐지고, 다시 유로를 만남으로써 채널별로 분리되어 유동하게 된다. 입구영역(161)에서의 분리와 혼합을 반복하여 유체가 유동하는 과정은 출구영역(162)에서도 동일하게 이뤄지며 이로 인해, 입구영역(161), 출구영역(162) 및 중간영역(163) 전체에 유체가 고르게 분배되어 흐르게 될 뿐만 아니라 유체의 유동량이 증가하여 고체산화물 전지의 성능이 향상될 수 있다.
또한, 중간영역(163)의 중앙에 음각된 횡유로를 통해 유체가 유동함으로써, 중간 영역(163)에서 발생할 수 있는 승압 현상을 방지하고 흡기 매니폴드(121) 및 배기 매니폴드(122) 부근의 유로에서 발생하는 압력차를 감소시켜 상압의 운전환경에도 바이폴라 플레이트(100)를 운전 가능하도록 한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 9를 참조하면, 상술된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이폴라 플레이트(100)와 달리 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트(100a)는 입구영역(161a)에만 유체혼합부(151a)가 형성될 수 있다.
이러한 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트(100a)의 구성으로 인해, 흡기 매니폴드(121a)와 접하는 입구영역(161a)에서 발생되는 고체산화물 전지의 국소전류밀도 불균형 현상을 방지하고, 입구영역(161a)에서 MEA(미도시)로 공급되는 연료 또는 반응가스의 유량과 플레이트 홈(130a)의 모든 영역에서 MEA로 공급되는 연료 또는 반응가스의 유량의 편차가 발생하지 않도록 할 수 있다.
도 6 내지 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이, 고체산화물 전지의 균일한 국소전류밀도와 MEA로 공급되는 연료 또는 반응가스의 유량을 일정하게 유지하기 위하여, 모든 유체혼합부(151a)의 유로폭은 같은 규격으로 형성되고 유로(141a, 143a)의 최소 유로길이 보다 짧게 형성될 수 있다.
또한, 모든 유로(141a, 143a)간의 간격은 동일하게 형성되고, 유로(141a, 143a)의 유로폭은 같은 규격으로 형성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 10을 참조하면, 상술된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이폴라 플레이트(100)와 달리 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트(100b)는 출구영역(162b)에만 유체혼합부(152b)가 형성될 수 있다.
이러한 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트(100b)의 구성으로 인해, 배기 매니폴드(122b)와 접하는 출구영역(162b)에서 발생되는 고체산화물 전지의 국소전류밀도 불균형 현상을 방지하고, 출구영역(162b)에서 MEA(미도시)로 공급되는 연료 또는 반응가스의 유량과 플레이트 홈(130b)의 모든 영역에서 MEA로 공급되는 연료 또는 반응가스의 유량의 편차가 발생하지 않도록 할 수 있다.
상술된 도 9의 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트(100a)와 동일하게, 고체산화물 전지의 균일한 국소전류밀도와 MEA(210)로 공급되는 연료 또는 반응가스의 유량을 일정하게 유지하기 위하여, 모든 유체혼합부(152b)의 유로폭은 같은 규격으로 형성되고 유로(142b, 143b)의 최소 유로길이 보다 짧게 형성될 수 있다. 또한, 모든 유로(142b, 143b)간의 간격은 동일하게 형성되고, 유로(142b, 143b)의 유로폭은 같은 규격으로 형성될 수 있다.
도 11a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트의 단면을 도시한 단면도이고, 도 11b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트의 단면을 도시한 단면도이다.
본 발명에 있어서, 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트(100)의 단면 형태는 도 7에 도시된 형태에 한정되지 않으며, 상술된 바이폴라 플레이트(100)의 유체혼합부(151, 151')의 역할을 수행하는 한 어떠한 형태든 상관없다.
따라서, 도 11a에 도시된 바와 같이, 유체혼합부(151, 151')의 단면 형태는 물결 형태의 단면일 수 있고 도 11b에 도시된 바와 같이, 유체혼합부(151, 151')의 단면 형태는 사다리꼴 단면일 수 있다. 또한, 유체혼합부(151, 151')의 단면 형태는 도 11a 및 도 11b 각각에 도시된 물결 형태 및 사다리꼴 이외의 정사각형, 직사각형 및 마름모 중 어느 하나에 해당할 수 있다.
실험예 1: 유속의 변화 측정
도 1과 같은 종래의 바이폴라 플레이트(비교예), 도 2 내지 도 4에서 설명한 바와 같은 본 발명의 바이폴라 플레이트(실시예)를 이용해 셀스택을 만든 후, 수증기를 투입하여 SOEC 구동하면서 투입된 가스의 유속의 변화를 유입시와 중간의 지점 및 유출시에서 측정하여 비교하였다. 비교예에서는 측정 위치에 따라 유속이 다르며 유출시 출구측에 가까운 유로에서의 유속과 그렇지 않은 유로에서의 유속 편차가 발생하였다. 실시예에서는 측정 위치에 따라 유속 편차가 비교예에 비하여 작았으며, 유출시 출구측에 가까운 유로에서의 유속과 그렇지 않은 유로에서의 유속 편차가 거의 없었다.
본 발명 실시예처럼 유속의 편차가 작은 경우에는 전기 화학 반응속도가 균일하기 때문에 셀의 반응 성능 및 내구 특성이 우수하다는 장점을 갖는데 반하여, 비교예처럼 유속의 편차가 심한 경우 셀의 반응성능 저하 및 내구성 악화의 문제점이 생기게 된다.
실험예 2: SOEC 로 구동시 효율
상기 실험예 1에서 제작한 비교예 및 실시예의 셀스택을 이용해 SOEC 효율을 비교하였다. 효율은 (발생된 수소의 열량/투입된 전기에너지)로 계산하였다. 실시예의 경우에 투입된 전기에너지에 대한 발생된 수소의 열량이 높으므로 비교예보다 효율이 높다는 것을 알 수 있었다.
실험예 3: SOFC 로 구동시 효율
상기 실험예 1에서 제작한 비교예 및 실시예의 셀스택을 이용해 SOFC 효율을 비교하였다. SOFC에서 수소 이용률이 높아지면(셀이나 스택에 전류밀도 값을 높게 걸어주면) 수소 가스가 출구 매니폴드 주변에 많이 분포하고 출구에서 먼 유로에서는 수소 가스의 농도가 떨어져서 MEA와 전극에 많은 부담을 주게 된다. 이에 반해, 본 발명에서 제시한 바이폴라 플레이트를 사용하면 출구 매니폴드로 이동하는 수소가스 농도가 균일하게 분포하여 MEA와 전극에 균일한 전하들이 이동하므로 MEA나 전극이 열화(degradation)되는 것을 억제해 줄 수 있다. 이는 셀 수명을 유지하는데 중요한 역할을 하게 된다.
단전지를 스택으로 제작할 때 바이폴라 플레이트의 매니폴드는 반응 가스를 공급하고 생성된 가스를 배출하는 유로를 제공한다. 스택 운전시 단전지에 공급되는 가스의 균일한 공급은 고체산화물 전지 운전 성능에 매우 중요한 영향을 미치게 된다. 본 발명에 따르면, 연료와 공기가 각각의 유로를 독립적으로 순환하면서 연료와 공기가 균일하게 공급되도록 바이폴라 플레이트의 유로를 설계함으로써 효율이 높은 고체산화물 전지 제작이 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
50, 100 : 바이폴라 플레이트 111 : 입구유로
112 : 출구유로 121 : 흡기 매니폴드
122 : 배기 매니폴드 130 : 플레이트 홈
60, 65, 141, 142, 143 : 유로 151, 152 : 유체혼합부
161 : 입구영역 162 : 출구영역
163 : 중간영역

Claims (14)

  1. 본체의 일면 또는 양면에 유체가 유동하는 복수의 유로를 포함하고,
    상기 유로의 적어도 일부는 상기 유체가 유입되는 입구측보다 유출되는 출구측의 높이가 낮은 것을 특징으로 하는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유로는 출구측에 상기 유로 높이를 일부 차단하는 블록을 가지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유로의 높이는 상기 입구측에서 출구측으로 갈수록 낮아지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트.
  4. 제1항에 있어서, 상기 입구측보다 상기 출구측의 높이가 낮은 유로는 상기 출구측에 형성되는 배기 매니폴드 부근에 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유로의 단면은 정사각형 형태, 직사각형 형태, 마름모 형태, 사다리꼴 형태 및 물결(wave) 형태 중 어느 하나에 해당하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 출구측의 유로의 높이는 상기 입구측의 유로 높이의 1/2인 것을 특징으로 하는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트.
  7. 유체가 유동하는 복수의 유로가 음각되어 형성된 플레이트 홈;
    상기 플레이트 홈에 연통되어 상기 유체가 상기 플레이트 홈으로 유입되도록 하는 흡기 매니폴드; 및
    상기 플레이트 홈에 연통되어 상기 플레이트 홈으로 유입된 유체가 외부로 유출되도록 하는 배기 매니폴드를 포함하고,
    상기 유로의 적어도 일부는 상기 흡기 매니폴드측보다 상기 배기 매니폴드측의 높이가 낮은 것을 특징으로 하는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트.
  8. 제7항에 있어서, 상기 유로는 흡기 매니폴드측에 상기 유로 높이를 일부 차단하는 블록을 가지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트.
  9. 제7항에 있어서, 상기 유로의 높이는 상기 흡기 매니폴드측에서 배기 매니폴드측으로 갈수록 낮아지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트.
  10. 제7항에 있어서, 상기 복수의 유로를 통해 복수의 채널로 분리된 유체가 다시 혼합되도록 상기 유로의 진행방향과 수직한 방향으로 음각되어 형성된 유체혼합부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트.
  11. 제10항에 있어서, 상기 유체혼합부는, 상기 흡기 매니폴드 및/또는 상기 배기 매니폴드 부근에 밀집하여 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트.
  12. 제7항에 있어서, 상기 유로의 폭 및 상기 유로간의 간격은 전 영역에 걸쳐 일정한 것을 특징으로 하는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트.
  13. 제10항에 있어서, 상기 유로 및 유로혼합부의 단면은 정사각형 형태, 직사각형 형태, 마름모 형태, 사다리꼴 형태 및 물결(wave) 형태 중 어느 하나에 해당하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트.
  14. 제7항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 배기 매니폴드측의 유로의 높이는 상기 흡기 매니폴드측의 유로 높이의 1/2인 것을 특징으로 하는 고체산화물 전지의 바이폴라 플레이트.
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