KR20170033313A - 연료 전지 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지 유닛(10)을 포함하는 연료 전지 장치에 관한 것이며, 상기 연료 전지 유닛(10)은 적어도 2개의 연료 전지(12, 14)와, 상기 적어도 2개의 연료 전지(12, 14)를 직렬 연결하기 위해 제공되는 인터커넥터 유닛(16)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 인터커넥터 유닛(16)은 상이한 재료로 제조된 적어도 2개의 층(18, 20)을 포함한다.

Description

연료 전지 장치{FUEL CELL DEVICE}
본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 연료 전지 장치에 관한 것이다.
다수의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 유닛을 구비한 연료 전지 장치가 이미 제안되어있다. 연료 전지는 인터커넥터 유닛에 의해 직렬로 연결된다. 인터커넥터 유닛은 단 하나의 재료로 제조된다.
본 발명의 과제는 개선된 연료 전지 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항들에 따른 연료 전지 장치 및 그 제조 방법에 의해 해결된다.
본 발명은 적어도 2개의 연료 전지와, 상기 적어도 2개의 연료 전지를 서로 직렬로 연결하기 위해 제공된 인터커넥터 유닛을 포함하는 연료 전지 유닛을 구비한 연료 전지 장치에 관한 것이다.
적어도 하나의 인터커넥터 유닛이 상이한 재료로 제조되는 적어도 2개의 층을 포함하는 것이 제안된다.
이러한 맥락에서, "연료 전지 장치"는 적어도 하나의 연료 전지 유닛을 사용해서 특히 전기 및/또는 열 에너지를 고정식으로 및/또는 이동식으로 얻기 위한 장치를 의미한다. 이러한 맥락에서, "연료 전지 유닛"은 적어도 하나의 연료 가스, 특히 수소 및/또는 일산화탄소, 및 적어도 하나의 산화제, 특히 산소의 적어도 화학 에너지를 특히 전기 에너지로 변환시키기 위해 제공된 다수의 연료 전지들이 상호 연결된 유닛을 의미한다. 연료 전지들은 바람직하게는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)로서 형성된다. "제공된다"라는 표현은 특별히 프로그램되거나, 설계되거나 및/또는 설치되는 것을 의미한다. 대상이 특정 기능을 위해 제공된다는 표현은 특히 상기 대상이 적어도 적용 및/또는 작동 상태에서 상기 특정 기능을 충족시키거나 실행하는 것을 의미한다. 이러한 맥락에서, "인터커넥터 유닛"은 적어도 2개의 연료 전지를 서로 직렬로 연결하기 위해, 적어도 2개의 연료 전지 사이의 전기 전도성 접속을 형성하도록 설계된 유닛을 의미한다.
적어도 하나의 인터커넥터 유닛은, 특히 층별로 인접하게 배치된 상이한 재료로 제조된다. 인터커넥터 유닛을 형성하는 물질들은 특히 전도도 및/또는 소결 거동과 관련해서 특히 상보적인 및/또는 보완적인 기능적 특성을 갖는다. 바람직하게는, 인터커넥터 유닛의 재료들이 각각 페로브스카이트(Perowskit) 구조를 갖는다.
이러한 구성에 의해, 향상된 작동 특성을 가진 상기 연료 전지 장치가 제공될 수 있다. 특히, 서로 다른 재료로 인터커넥터 유닛을 형성함으로써 재료 특성들이 바람직하게 조합될 수 있다. 그 결과, 인터커넥터 유닛이 연료 전지 장치의 요구 조건에 바람직하게 맞춰질 수 있으며, 그로 인해 특히 연료 전지 장치의 기능 및/또는 수명이 바람직하게 향상될 수 있다.
또한, 인터커넥터 유닛은 망간 기반 페로브스카이트로 형성된 적어도 하나의 제 1 층을 포함한다. 망간 기반 페로브스카이트는 특히 0.05 < x < 0.6, 0.05 < y < 0.6 및 A = 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 또는 탄탈(Ta)을 갖는 일반 화학식 La1 -x Srx Ay Mn1 -y 03을 갖는다. 이로 인해, 적어도 하나의 제 1 층이 특히 환원 분위기, 예를 들어 애노드 분위기 하에서 높은 전기 전도도를 갖는 것이 달성될 수 있다. 바람직하게는, 인터커넥터 유닛은 니켈 기반 페로브스카이트로 형성된 적어도 하나의 제 2 층을 포함한다. 니켈 기반 페로브스카이트는 특히 0.05 < x < 0.6인 일반 화학식 La Nix Fe1 -x 03을 갖는다. 이로 인해, 바람직하게는 기밀 방식 제 2 층이 형성될 수 있어서, 연료 전지 장치의 기밀성이 바람직하게 상승될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 제 2 층의 바람직하게 높은 전도도는 캐소드 분위기 하에서 달성될 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 제 1 층과 적어도 하나의 제 2 층을 결합하여 인터커넥터 유닛을 형성함으로써, 애노드 및 캐소드 분위기 모두에서 바람직하게 높은 전도도가 달성될 수 있기 때문에, 오믹 손실이 바람직하게 감소할 수 있다.
또한, 연료 전지 유닛은 적어도 2개의 연료 전지의 캐소드를 형성하기 위해 제공된 적어도 하나의 캐소드 층, 적어도 2개의 연료 전지의 애노드를 형성하기 위해 제공된 적어도 하나의 애노드 층, 및 적어도 2개의 연료 전지의 전해질을 형성하기 위해 제공된 적어도 하나의 전해질 층을 포함한다. 적어도 하나의 캐소드 층은 특히 란탄 스트론튬 망간 산화물 및/또는 란탄 스트론튬 스칸듐 망간 산화물 및/또는 란탄 스트론튬 코발트 철 산화물 및/또는 란탄 니켈 철 산화물로 형성될 수 있다. 바람직하게는 캐소드 층은 란탄 스트론튬 망간 산화물, 란탄 스트론튬 스칸듐 망간 산화물 또는 이들의 혼합물로 형성된다. 바람직하게는 적어도 하나의 캐소드 층의 재료는 페로브스카이트 구조를 갖는다. 적어도 하나의 애노드 층은 특히, 니켈 및 이트륨 안정화된 지르코늄 산화물을 포함하는 서멧 및/또는 란탄 스트론튬 티타늄 산화물 및/또는 란탄 스트론튬 스칸듐 망간 산화물에 의해 형성될 수 있다. 적어도 하나의 전해질 층은 특히 이트륨 안정화된 지르코늄 산화물 및/또는 스칸듐 안정화된 지르코늄 산화물로 형성될 수 있다. 적어도 하나의 전해질 층은 특히 적어도 하나의 애노드 층과 적어도 하나의 캐소드 층 사이에 배치된다. 적어도 하나의 캐소드 층은 각각 적어도 2개의 연료 전지의 캐소드를 형성하고, 적어도 2개의 연료 전지의 캐소드는 전기 및 이온 절연체에 의해 서로 분리되는 것이 바람직하다. 적어도 하나의 애노드 층은 각각 적어도 2개의 연료 전지의 애노드를 형성하고, 적어도 2개의 연료 전지의 애노드는 전기 및 이온 절연체에 의해 서로 분리되는 것이 바람직하다. 이로 인해, 적어도 2개의 연료 전지의 바람직한 구성이 달성될 수 있다.
또한, 적어도 2개의 연료 전지는, 제 1 연료 전지의 캐소드가 제 2 연료 전지의 애노드와 적어도 부분적으로 중첩하도록, 연료 전지 유닛 내에 배치된다. 이로 인해, 연료 전지 유닛의 바람직하게 컴팩트한 구성이 달성될 수 있다.
또한, 인터커넥터 유닛은 연료 전지 유닛의 전해질 층 내에 배치된다. 특히, 인터커넥터 유닛은 제 1 연료 전지의 캐소드와 제 2 연료 전지의 애노드를 직렬로 연결하기 위해 제공된다. 특히, 인터커넥터 유닛은 제 2 연료 전지의 전해질로부터 제 1 연료 전지의 전해질을 특히 이온 절연 방식으로 분리하도록 연료 전지 유닛의 전해질 층 내에 배치된다. 특히, 인터커넥터 유닛은 제 1 연료 전지의 캐소드와 제 2 연료 전지의 애노드가 적어도 부분적으로 중첩되는 전해질 층의 영역에 배치된다. 이로 인해, 바람직하게 큰 전기 화학적 활성 표면을 갖는 연료 전지 유닛이 실현될 수 있다.
또한, 인터커넥터 유닛의 적어도 하나의 제 1 층은 적어도 하나의 애노드 층의 방향으로 그리고 인터커넥터 유닛의 적어도 하나의 제 2 층은 적어도 하나의 캐소드 층의 방향으로 향한다. 이로 인해, 연료 전지 유닛 내에서, 특히 인터커넥터 유닛의 재료의 배향에 관련하여, 인터커넥터 유닛의 층들의 바람직한 배치가 달성될 수 있다.
또한, 연료 전지 장치는 연료 전지 유닛이 배치되는 적어도 하나의 캐리어 바디를 포함한다. 이와 관련하여, "캐리어 바디"는 특히 적어도 하나의 연료 전지 유닛을 특히 기계적으로 부하 경감시키고 및/또는 안정화시키도록 설계된 요소를 의미한다. 이로 인해, 연료 전지 유닛이 바람직하게 얇게 형성될 수 있다. 특히 적어도 하나의 전해질 층의 두께 감소에 의해 적어도 2개의 연료 전지의 전해질의 전도도가 바람직하게 향상될 수 있어서, 연료 전지의 효율이 바람직하게 증가한다. 캐리어 바디는 특히 튜브형으로 형성될 수 있다. 예를 들어 캐리어 바디는 특히 캐리어 기판에 캐리어 바디를 고정하기 위한 기밀 방식 고정 섹션을 적어도 하나의 개방된 튜브 단부에 포함할 수 있다. 캐리어 바디는 다른 튜브 단부에 추가의 상기 방식 고정 섹션을 포함하거나 또는 특히 기밀 방식 캡 섹션에 의해 폐쇄될 수 있다. 연료 전지 유닛은 특히 바람직하게는 적어도 한의 캐소드 층이 캐리어 바디에 인접하도록 캐리어 바디에 배치된다. 연료 전지 유닛이 캐리어 바디에 인접하는 영역에서, 캐리어 바디는 바람직하게는 가스 투과성으로 설계되고, 예를 들어 가스 투과성 다공 및/또는 개구를 포함한다. 캐리어 바디는 특히 하나 이상의 세라믹 및/또는 유리질 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 캐리어 바디는 포르스테라이트 및/또는 이산화지르코늄 및/또는 산화알루미늄으로 형성될 수 있다. 이로 인해, 연료 전지 장치의 바람직한 기계적 및/또는 열적 안정성이 달성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료 전지 장치의 제조 방법이 제안된다. 특히, 적어도 하나의 단계에서 적어도 인터커넥터 유닛 및 바람직하게는 전체 연료 전지 유닛은 스크린 인쇄에 의해 제조될 수 있다. 특히, 적어도 하나의 추가 단계에서 인터커넥터 유닛 및/또는 연료 전지 유닛 및/또는 캐리어 바디의 재료가 동시 소결될 수 있다. 이로 인해, 본 발명에 따른 연료 전지 장치의 바람직하게 간단한 및/또는 비용 효율적인 제조가 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 장치는 전술한 용도 및 실시예로 제한되지 않는다. 특히 본 발명에 따른 연료 전지 장치는 여기에 설명된 기능을 충족시키기 위해 여기에 언급된 개수와는 다른 개수의 개별 요소, 부품 및 유닛을 포함할 수 있다.
추가 장점들은 하기의 실시예 설명에 나타난다. 도면에는 본 발명의 실시예가 도시되어 있다. 도면, 상세한 설명 및 청구범위는 많은 특징을 조합하여 포함한다. 당업자라면 상기 특징들을 개별적으로 고려하고, 다른 바람직한 조합으로 조합할 수 있을 것이다.
도 1은 2층으로 형성된 인터커넥터 유닛에 의해 서로 직렬로 연결된 적어도 2개의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 유닛을 구비한 연료 전지 장치의 개략적인 단면도이다.
도 1은 여기서는 부분적으로만 도시된 연료 전지 장치(46)의 개략적인 단면을 도시한다. 연료 전지 장치(46)는 여기서는 예를 들어 2개의 직렬 연결된 연료 전지(12, 14)를 포함하는 연료 전지 유닛(10)을 포함한다. 연료 전지들(12, 14)은 인터커넥터 유닛(16)을 통해 직렬로 연결된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료 전지 유닛(10)은 다층 층 시스템의 형태로 형성되고, 상기 연료 전지들(12, 14)은 실질적으로 서로 나란히 형성된다. 연료 전지 유닛(10)은 캐소드 층(22), 전해질 층(34) 및 애노드 층(28)을 포함한다. 캐소드 층(22)은 연료 전지(12, 14)의 캐소드(24, 26)를 형성한다. 애노드 층(28)은 연료 전지(12, 14)의 애노드(30, 32)를 형성한다. 전해질 층(34)은 연료 전지(12, 14)의 전해질(36,38)을 형성한다.
인터커넥터 유닛(16)은 전해질 층(34) 내에 완전히 배치된다. 특히, 인터커넥터 유닛(16)은, 제 1 연료 전지(12)의 캐소드(24)가 상기 인터커넥터 유닛(16)을 통해 제 2 연료 전지(14)의 애노드(32)와 직렬로 연결되도록, 배치된다. 제 1 연료 전지(12)의 전해질(36)은 인터커넥터 유닛(16)에 의해 특히, 이온 절연 방식으로 제 2 연료 전지(14)의 전해질(38)로부터 분리된다.
도 1에는 또한 연료 전지(12, 14)의 캐소드(24, 26)가 전기 및 이온 절연 영역(42)에 의해 그리고 연료 전지(12, 14)의 애노드(30, 32)가 적어도 하나의 전기 및 이온 절연 영역(44)에 의해 서로 분리되는 것이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 연료 전지(12, 14)의 캐소드(24, 26) 및 애노드(30, 32)는, 제 1 연료 전지(12)의 캐소드(24)가 제 2 연료 전지(14)의 애노드(32)와 부분적으로 중첩하도록, 캐소드 층(22) 또는 애노드 층(28)에 의해 형성된다. 중첩 영역에서 인터커넥터 유닛(16)은 전해질 층(34) 내에 배치된다. 대안으로서, 캐소드와 애노드의 중첩이 생략 될 수도 있다.
도 1은 또한 연료 전지 장치(46)가 캐리어 바디(40)를 갖는 것을 도시한다. 캐리어 바디(40)는 예를 들어 하나 이상의 세라믹 및/또는 유리질 재료로 형성될 수 있다. 기본적으로, 캐리어 바디(40)는 튜브형으로 형성된 캐리어 바디 및 평면으로 형성된 캐리어 바디일 수 있다. 따라서, 연료 전지 장치(46)는 평면 연료 전지 장치 및 튜브형 연료 전지 장치로서 형성될 수 있다. 연료 전지 유닛(10)은 캐리어 바디(40)의 내부 면 또는 외부 면에, 바람직하게는 여기에 도시된 바와 같이 내부 면에 제공될 수 있다. 도 1은 연료 전지(12, 14)의 캐소드(24, 26) 또는 연료 전지 유닛(10)의 캐소드 층(22)이 캐리어 바디(40)에 인접하는 것을 도시한다. 연료 전지(12, 14)의 애노드(30, 32) 또는 연료 전지 유닛(10)의 애노드 층(28)은 개방되어 있거나 자유롭게 접근 가능하다. 캐리어 바디(40)는 연료 전지(12, 14)에 인접한 섹션에 가스 투과성 다공 및/또는 개구를 갖는다.
인터커넥터 유닛(16)은 2층으로 형성되어 있다. 인터커넥터 유닛(16)의 제 1 층(18)은 적어도 실질적으로 망간 기반 페로브스카이트로 형성된다. 망간 기반 페로브스카이트는 0.05 < x < 0.6, 0.05 < y < 0.6 및 A = 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 또는 탄탈(Ta)의 일반 화학식 La1 -x Srx Ay Mn1 -y O3 을 갖는다. 인터커넥터 유닛(16)의 제 2 층(20)은 적어도 실질적으로 니켈 기반 페로브스카이트로 형성된다. 니켈 기반 페로브스카이트는 0.05 < x < 0.6인 일반 화학 화학식 La Nix Fe1 -x 03을 갖는다. 인터커넥터 유닛(16)의 층들(18, 20)은, 인터커넥터 유닛(16)의 제 1 층(18)이 애노드 층(28)의 방향으로 그리고 인터커넥터 유닛(16)의 제 2 층(20)이 적어도 하나의 캐소드 층(22)의 방향으로 향하도록 배치된다.
인터커넥터 유닛(16)은 적어도 실질적으로 망간 기반 페로브스카이트로 형성되는 제 1 층(18)에 의해 특히 애노드 분위기에서 충분히 높은 전도도(850 ℃에서 5 S/cm)를 갖는다. 동시에, 제 1 층(18)은 그 아래 놓이며 적어도 실질적으로 니켈 기반 페로브스카이트로 형성된 제 2 층(20)을 애노드 분위기에 의해 유해한 영향으로부터 보호한다. 니켈 기반 페로브스카이트의 양호한 소결 특성으로 인해, 제 2 층(20)은 바람직하게는 기밀 방식으로 형성되며, 그 결과 연료 전지 장치(46)로부터의 연료 가스의 배출이 바람직하게 방지될 수 있다. 인터커넥터 유닛(16)의 2층 구성에 의해, 제 1 층(18)의 망간 기반 페로브스카이트 및 제 2 층(20)의 니켈 기반 페로브스카이트의 긍정적인 재료 특성들이 바람직하게 서로 조합된다.
10 연료 전지 유닛
12, 14 연료 전지
16 인터커넥터 유닛
18, 20 층
22 캐소드 층
24, 26 캐소드
28 애노드 층
30, 32 애노드
36, 38 전해질
40 캐리어 바디
46 연료 전지 장치

Claims (9)

  1. 연료 전지 유닛(10)을 포함하는 연료 전지 장치로서, 상기 연료 전지 유닛(10)은 적어도 2개의 연료 전지(12, 14)와, 상기 적어도 2개의 연료 전지(12, 14)를 직렬로 연결하기 위해 제공되는 인터커넥터 유닛(16)을 포함하는, 상기 연료 전지 장치에 있어서,
    적어도 하나의 인터커넥터 유닛(16)은 상이한 재료로 제조된 적어도 2개의 층(18, 20)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 인터커넥터 유닛(16)은 망간 기반 페로브스카이트로 제조된 적어도 하나의 제 1 층(18)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 인터커넥터 유닛(16)은 니켈 기반 페로브스카이트로 제조된 적어도 하나의 제 2 층(20)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 유닛(10)은 상기 적어도 2개의 연료 전지(12, 14)의 캐소드(24, 26)를 형성하기 위해 제공된 적어도 하나의 캐소드 층(22), 상기 적어도 2개의 연료 전지(12, 14)의 애노드(30, 32)를 형성하기 위해 제공된 적어도 하나의 애노드 층(28), 및 상기 적어도 2개의 연료 전지(12, 14)의 전해질(36, 38)을 형성하기 위해 제공된 적어도 하나의 전해질 층(34)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 연료 전지(12, 14)는, 제 1 연료 전지(12)의 캐소드(24)가 제 2 연료 전지(14)의 애노드(32)와 적어도 부분적으로 중첩하도록 상기 연료 전지 유닛(10) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 인터커넥터 유닛(16)은 상기 연료 전지 유닛(10)의 전해질 층(34) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 인터커넥터 유닛(16)의 상기 적어도 하나의 제 1 층(18)은 상기 적어도 하나의 애노드 층(28)의 방향으로 그리고 상기 인터커넥터 유닛(16)의 상기 적어도 하나의 제 2 층(20)은 상기 적어도 하나의 캐소드 층(22)의 방향으로 향하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 캐리어 바디(40)가 제공되고, 상기 캐리어 바디 상에 상기 연료 전지 유닛(10)이 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 장치(46)의 제조 방법.
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