KR20170120732A - 원통형 ｓｏｆｃ를 이용한 가압운전 시스템 - Google Patents

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송락현
박석주
이승복
이종원
유성빈
이승호
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 ScSZ를 포함하는 전해질층이 형성된 원통형의 지지체를 포함하는 원통형 SOFC유닛과, 원통형 SOFC유닛이 내장되는 가압챔버를 포함하는 구조로부터, 비교적 낮은 온도에서도 원활한 가동이 가능하고, 고온 반응을 억제하여 시스템 전체의 안정성을 높일 수 있음은 물론, 연료전지의 단위 셀로서 원통형 SOFC유닛의 밀봉이 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템에 관한 것이다.

Description

원통형 ＳＯＦＣ를 이용한 가압운전 시스템{PRESSURE OPERATING SYSTEM USING TUBULAR SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 발명은 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가압 운전 방식의 SOFC 시스템에 적용 가능한 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템에 관한 것이다.
본 출원인이 기출원한 특허출원 제10-2015-61463호의 "튜브셀 기반의 가압형 공전해 모듈"(이하 '선행기술')에서는 연료전지 셀을 튜브형 셀 구조로 하여 전해질로 YSZ를 사용하였다.
그러나, YSZ는 고온에서 안정적으로 작동하지만 이온 전도도(ion conductivity)가 낮아 650℃ 내외의 비교적 낮은 온도에서는 가동이 되지 않는 문제점이 있었다.
특허출원 제10-2015-61463호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 비교적 낮은 온도에서도 원활한 가동이 가능한 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
그리고, 본 발명은 고온 반응을 억제하여 시스템 전체의 안정성을 높일 수 있도록 하는 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 연료전지의 단위 셀로서 원통형 SOFC유닛의 밀봉이 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 ScSZ(Scandia-Stabilized Zirconia)를 포함하는 전해질층(electrolyte layer)이 형성된 원통형의 지지체를 포함하는 원통형 SOFC유닛(tubular SOFC unit); 및 상기 원통형 SOFC유닛이 내장되는 가압챔버를 포함하며, 상기 원통형 SOFC유닛의 출력은 상기 가압챔버 내의 압력 증가에 비례하여 증대되는 것을 특징으로 하는 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템을 제공할 수 있다.
여기서, 상기 원통형 SOFC유닛은, 상기 지지체의 표면에 형성된 연료극층(anode layer)과, 상기 연료극층의 표면에 형성된 상기 전해질층과, 상기 전해질층의 표면에 형성된 GDC 버퍼층(Gadolinium-Doped Ceria buffer layer)과, 상기 GDC 버퍼층의 표면에 형성된 공기극층(cathode layer)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 연료극층은 상기 지지체의 표면에 제1 두께로 형성되며, 상기 전해질층은 상기 연료극층의 표면에 상기 제1 두께보다 얇은 제2 두께로 형성되고, 상기 GDC 버퍼층은 상기 공기극층과 상기 전해질층 사이에 상기 제2 두께보다 얇은 제3 두께로 형성되며, 상기 공기극층은 상기 GDC 버퍼층의 표면에 상기 제1 두께보다 두꺼운 제4 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제1 두께는, 8 내지 13㎛인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제2 두께는, 4 내지 8㎛인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제3 두께는, 1 내지 4㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제4 두께는, 13 내지 18㎛인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.
우선, 본 발명은 ScSZ를 포함하는 전해질층이 형성된 원통형의 지지체를 포함하는 원통형 SOFC유닛과, 원통형 SOFC유닛이 내장되는 가압챔버를 포함하는 구조로부터, 비교적 낮은 온도인 650℃ 내외에서도 작동이 가능하도록 함으로써, 효율을 높일 수 있을 것이다.
특히, 본 발명은 전해질층과 공기극층 사이에 GDC 버퍼층을 형성함으로써, 고온 반응을 억제하여 시스템 전체의 안정성을 높일 수 있게 된다.
따라서, 본 발명은 ScSZ를 사용하여 저온에서 가동 효율을 높일 수 있게 되므로, 기존의 SOFC에서 YSZ를 사용함으로 인한 고온 상태에서의 밀봉 문제 해결이 가능하게 되므로, 연료전지의 단위 셀로서 원통형 SOFC유닛의 밀봉이 용이하게 이루어질 수 있게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템의 전체적인 구조를 나타낸 개념도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템의 주요부인 원통형 SOFC유닛의 외관 및 층상 구조를 나타낸 개념도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템의 압력에 따른 OCV값의 변화를 나타낸 그래프
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템의 주요부인 원통형 SOFC유닛 중 전해질층의 전류-전압 곡선 측정 결과를 기존의 YSZ셀과 비교한 그래프
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템의 시간에 따른 압력 증가 변화를 나타낸 그래프
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템의 주요부인 원통형 SOFC유닛 내부와 가압챔버 내부의 압력차 거동을 시간 변화에 따라 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템의 압력 변화에 따른 전류-전압 곡선의 거동에 따른 성능 증가 상태를 나타낸 그래프
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템의 주요부인 원통형 SOFC유닛의 연결 구조를 모식적으로 나타낸 개념도
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.
본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하며, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.
또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템의 전체적인 구조를 나타낸 개념도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템의 주요부인 원통형 SOFC유닛(100)의 외관 및 층상 구조를 나타낸 개념도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템의 압력에 따른 OCV(Open Cicuit Voltage)값의 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 도 1 및 도 2와 같이, ScSZ(Scandia-Stabilized Zirconia)를 포함하는 전해질층(130)(electrolyte layer)이 형성된 원통형의 지지체(110)를 포함하는 원통형 SOFC유닛(100)(tubular SOFC unit)와, 원통형 SOFC유닛(100)이 내장되는 가압챔버(200)를 포함하는 구조임을 파악할 수 있다.
이러한 원통형 SOFC유닛(100)의 출력은 도 3을 참조하면, 가압챔버(200) 내의 압력 증가에 비례하여 증대되는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명은 비교적 낮은 온도인 650℃ 내외에서도 작동이 가능하도록 함으로써, 효율을 높일 수 있을 것이다.
특히, 본 발명은 전해질층과 공기극층 사이에 GDC 버퍼층을 형성함으로써, 고온 반응을 억제하여 시스템 전체의 안정성을 높일 수 있게 된다.
따라서, 본 발명은 연료전지의 단위 셀로서 원통형 SOFC유닛의 밀봉이 용이하게 이루어질 수 있게 될 것이다.
본 발명은 상기와 같은 실시예의 적용이 가능하며, 다음과 같은 다양한 실시예의 적용 또한 가능함은 물론이다.
본 발명은 도 1과 같이 가압챔버(200)와 연결되며 원통형 SOFC유닛(100)을 가압하는 가압 유닛(300)을 더 포함할 수 있다.
다시말해, 원통형 SOFC유닛(100)의 출력은 가압 유닛(300)에 의한 가압챔버(200) 내의 압력 증가에 비례하여 증대되는 것이다.
이러한 가압 유닛(300)은, 가압챔버(200)의 일측에 구비되어 가압챔버(200) 내부의 급격한 압력 상승시 가압챔버(200)의 내부 압력을 일시 강하시키는 파열판(310)(rupture disk)을 포함할 수 있다.
그리고, 가압 유닛(300)은, 수소, 질소, 이산화탄소로 이루어진 연료가스와 혼합하여 가압챔버(200) 내로 보내져야 할, HPLC(321)(High Performance Liquid Chromatography)로부터 공급받은 물을 기화시키는 기화기(320)(vaporizer)를 포함할 수 있다.
그리고, 가압 유닛(300)은, 수소를 기화기(320)로부터 배출되는 기화된 물과 혼합되게 하는 혼합 유로를 형성하는 혼합배관(330)을 포함할 수 있다.
전술한 혼합배관(330) 에는 수소 공급원(H2)으로부터 순차적으로 밸브(331), 필터(332), 반응기체 MFC(333)(Mass Flow Controller), 체크밸브(334)가 배치될 수 있다.
여기서, 반응기체 MFC(333)는 유체의 흐름을 조절하는 장치로, 수소의 흐름을 조절하는 역할을 수행하게 된다.
그리고, 가압 유닛(300)은, 가압챔버(200)의 일측에 구비되어 가압챔버(200) 내부를 가열시키는 히터(340)를 포함할 수 있다.
그리고, 가압 유닛(300)은, 가압챔버(200)와 연결되어 가압챔버(200)와 원통형 SOFC유닛(100) 내부의 압력차를 전기적인 신호로 컨트롤러(이하 미도시)에 전송하는 차압 전송기(350)를 포함할 수 있다.
그리고, 가압 유닛(300)은, 가압챔버(200) 및 차압 전송기(350)와 연결되어 가압챔버(200)와 원통형 SOFC유닛(100) 각각의 내부 부피를 동일하게 만드는 버퍼챔버(360)(buffer chamber)를 포함할 수 있다.
그리고, 가압 유닛(300)은, 반응용 에어가 가압챔버(200)로 공급되게 가압챔버(200)의 일측과 연결시키는 에어 공급관부(370)를 포함할 수 있다.
에어 공급관부(370)에는 에어 공급원(Air)으로부터 순차적으로 밸브(371), 필터(372), 반응기체 MFC(373), 체크밸브(374)가 배치될 수 있다.
그리고, 가압 유닛(300)은, 반응 완료된 에어 및 연료가스가 배출되게 가압챔버(200)의 타측과 연결시키는 배출관부(380)를 포함할 수 있다.
또한, 가압 유닛(300)은, 배출관부(380)에 구비되어 차압 전송기(350)와 연결되고, 전기적인 신호를 받아 배출되는 반응 완료된 에어 및 연료가스의 흐름을 제어하며 압력차를 수렴시키는 EPC(390)(electronic pressure controller)를 포함할 수도 있다.
한편, 본 발명의 원통형 SOFC유닛(100)의 구조에 관하여 도 2를 참조하여 더욱 상세하게 살펴보면, 다음과 같다.
원통형 SOFC유닛(100)은, 지지체(110)의 표면에 형성된 연료극층(120)(anode layer)과, 연료극층(120)의 표면에 형성된 전해질층(130)과, 전해질층(130)의 표면에 형성된 GDC 버퍼층(140)(Gadolinium-Doped Ceria buffer layer)과, GDC 버퍼층(140)의 표면에 형성된 공기극층(150)(cathode layer)을 포함하는 것을 알 수 있다.
여기서, 원통형 SOFC유닛(100)은 수소와 연료가습화를 위한 물 5%를 주입하게 되므로, 본 출원인이 기출원한 선행기술(특허출원 제10-2015-61463호)의 공전해 셀과 달리 이산화탄소와 질소는 불필요하다.
또한, 선행기술(특허출원 제10-2015-61463호)에서 수행된 공전해 실험은 본 발명에 따른 원통형 SOFC유닛(100)을 이용한 가압운전 시스템에서 실시될 SOFC 실험의 역반응이므로, 원통형 SOFC유닛(100)의 층상 구조는 도 2와 같이 이루어져야 하는 것이다.
지지체(110)가 원통형인 것은 가압 운전에도 우수한 내구성을 유지할 수 있는 최적의 구조이기 때문이다.
지지체(110)를 구성하는 NiO-YSZ는 니켈(NIO)/이트리아 안정된 지르코니아 (Yttria Stabilized Zirconia;YSZ)의 서멧(cermet)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
공기극층(150)(cathode layer)은 전술한 바와 같은 ScSZ(Scandia-Stabilized Zirconia)를 사용하는 것이 바람직하다.
배경기술에서도 설명했듯이, 본 출원인이 기출원한 선행기술(특허출원 제10-2015-61463호)에서는 YSZ 계열의 물질을 사용하였으나, YSZ는 고온에서 안정적으로 작동을 하지만 이온 전도도(ion conductivity)가 낮아 온도를 낮추기 위해서는 적합하지 않은 문제점이 있었다.
따라서 이러한 YSZ의 문제점을 개선하기 위하여 작동온도를 낮출 수 있으며 이온 전도도가 높은 ScSZ를 사용한 것이다.
또한 전해질층(130)(electrolyte layer)과 공기극층(150) 사이에 GDC 버퍼층(140)을 추가적으로 형성함으로써, 고온에서의 반응을 억제시켜 SOFC 시스템의 전체적인 안정성을 높일 수 있다.
따라서, GDC 버퍼층(140)은 650℃내외의 비교적 낮은 온도에서도 기존의 SOFC 시스템과 동일한 성능을 가질 수 있어 더욱 효율적임은 물론, 낮은 작동온도에서도 가동이 가능하기 때문에 원통형 SOFC유닛(100)의 밀봉작업이 용이하게 되는 것이다.
한편, 연료극층(120)은 지지체(110)의 표면에 제1 두께(d1)로 형성되며, 전해질층(130)은 연료극층(120)의 표면에 제1 두께(d1)보다 얇은 제2 두께(d2)로 형성되고, GDC 버퍼층(140)은 공기극층(150)과 전해질층(130) 사이에 제2 두께(d2)보다 얇은 제3 두께(d3)로 형성되며, 공기극층(150)은 GDC 버퍼층(140)의 표면에 제1 두께(d1)보다 두꺼운 제4 두께(d4)로 형성될 수 있다.
여기서, 제1 두께(d1)는, 8 내지 13㎛(바람직하게는 11.7㎛)에서 적절한 두께로 형성될 수 있으며, 제2 두께(d2)는, 4 내지 8㎛(바람직하게는 6.15㎛)에서 적절한 두께로 형성될 수 있고, 제3 두께(d3)는, 1 내지 4㎛(바람직하게는 3.67㎛)에서 적절한 두께로 형성될 수 있으며, 제4 두께(d4)는, 13 내지 18㎛(바람직하게는 16.8㎛)에서 적절한 두께로 형성될 수 있다.
전술한 각 두께(d1~d4) 범위의 의미는 다음과 같다.
즉, 전술한 각 두께(d1~d4) 범위의 하한은 원통형 SOFC유닛(100)이 컴팩트화 구현이 가능하며, 최소한의 두께로 가동 가능한 두께값이지만, 이 하한보다 더 작은 값이라면, 원통형 SOFC유닛(100)의 가동 효율이 저하되는 문제가 있을 것이다.
또한, 전술한 각 두께(d1~d4) 범위의 상한은 원통형 SOFC유닛(100)이 최대 출력의 발휘가 가능하며, 최대한의 두께로 가동 가능한 두께값이지만, 이 상한보다 더 큰 값이라면, 원통형 SOFC유닛(100)의 부피가 반응 효율이 떨어지며, 불필요한 원자재의 낭비가 발생하게 될 것이다.
아울러, 본 발명은 가압 SOFC 시스템의 운전 또는 원통형 SOFC유닛(100)의 운전을 목적으로 제작되었으며, 전술한 각 두께(d1~d4)는 8bar의 압력 환경하에서 제작된 셀이 충분히 그 형상과 기능을 유지 가능한 두께이다.
다음으로, 본 발명의 주요부인 원통형 SOFC유닛(100)의 제작 과정에 관하여 다음과 같이 간략히 설명할 것이다.
지지체(110)부터 본 발명에 따른 원통형 SOFC유닛(100)을 제작할 때, 원통형 SOFC유닛(100)은 산화된 상태로 제작되어 녹색과 같은 색을 띄게 된다.
이러한 지지체(110)는 전술한 바와 같이 NiO-YSZ로 구성되어 있으며 이 NiO를 Ni로 환원을 시켜주어야 고온에서 촉매 작용을 하면서 정상적인 기능을 수행하게 된다.
따라서, 정상적인 SOFC 작동을 위하여서는 회색을 띄는 환원 상태로 만들어야 한다.
통상적으로 in-situ방법을 통하여 로(furnace) 내부에서 승온 중 수소를 흘려주어 진행을 하지만, 본 발명에 따른 시스템은 가압에 중점을 둔 것이므로, 히터(340)가 in-situ로 진행하기에는 용량의 한계가 있기 때문에, 필수적으로 지지체(110)를 환원처리해야 하는 것이다.
이후, 지지체(110)를 포함한 각 층(120~150)이 형성된 원통형 SOFC유닛(100)의 내부 집전을 실시한 후, 밀봉 작업을 수행하고, 누설 검사를 실시한 다음 외부 집전을 실시하면 원통형 SOFC유닛(100)이 가압챔버(200) 내에 설치될 준비가 완료된다.
이렇게 제작된 원통형 SOFC유닛(100)이 내장된 가압챔버(200)에 가압 유닛(300)을 연결하고, 가동시 도 3과 같이 1 내지 8bar로 가압할 때 OCV(Open Cicuit Voltage)값이 증대됨을 알 수 있었다.
즉, OCV(Open Cicuit Voltage)값은 고체산화물 연료전기에 수소와 산소를 공급할 경우, 전체 전지 반응에 의하여 양쪽 전극간의 전기화학 전위치인 네른스트 포텐셜(Nernst Potential)로부터 얻어지는 값이다.
따라서, 압력이 증가함에 따라 OCV(Open Cicuit Voltage)값이 증가하는 것으로부터 원통형 SOFC유닛(100)의 출력, 즉 효율은 가압챔버(100) 내의 압력 증가에 비례하여 증대되는 것으로 해석될 수 있는 것이다.
한편, 본 발명은 도 4와 같이 기존의 SOFC에서 전해질층으로 사용된 YSZ에 비하여, 전해질층(130)에 적용된 ScSZ의 전류-전압 곡선과 같은 거동을 보임을 파악할 수 있다.
참고로, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템의 주요부인 원통형 SOFC유닛 중 전해질층의 전류-전압 곡선 측정 결과를 기존의 YSZ셀과 비교한 그래프이다.
여기서, X축 성분은 전류이며, Y축 성분은 전압이다.
이때, 각 곡선을 이루는 성분으로 ■ 및 □는 YSZ 관련, ○ 및 ●는 ScSZ 관련된 성분이다.
따라서, 본 발명은 도 4와 같이 기존의 YSZ셀과 비교하여 이온 전도도가 높기 때문에 성능이 더욱 향상됨을 파악할 수 있다.
한편, 본 발명은 도 3과 관련하여, 도 5 및 도 6과 같은 조건에서 실험을 실시하였다.
참고로, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템의 시간에 따른 압력 증가 변화를 나타낸 그래프이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템의 주요부인 원통형 SOFC유닛 내부와 가압챔버 내부의 압력차 거동을 시간 변화에 따라 나타낸 그래프이다.
즉, 본 발명은 1 bar에서 최종 목표값인 8bar에 이르기까지 시간에 따라 도 5와 같이 압력을 늘렸으며, 이러한 압력 증가에 따라 도 6과 같이 압력이 순차적으로 1 bar에서 8bar에 도달할 때마다 원통형 SOFC유닛(100)의 내부와 가압챔버(200) 내부의 압력차(도 6의 Y축 성분인 DPT) 거동이 특정값에 수렴하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명은 최종적으로 전체적인 시스템의 성능이 도 7과 같이 압력 변화에 따라 증대되는 것을 확인할 수 있었다.
참고로, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템의 압력 변화에 따른 전류-전압 곡선의 거동에 따른 성능 증가 상태를 나타낸 그래프이다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템은 압력이 증가함에 따라 반응기체 화학종의 농도도 증가하게 되어 반응속도 또한 증가하게 되므로, 전체적인 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 이와 같은 성능 향상을 위한 원통형 SOFC유닛(100)은 도 8과 같이 원통형 SOFC유닛(100)의 내부와 외부가 밀봉이 되어야 하는 것인데, 내부 집전선인 은 와이어(160)는 원통형 SOFC유닛(100)의 양단부와 연결되면서 외주면에 세라믹 튜브(161)로 밀봉되며, 각각의 은 와이어(160) 말단에는 외부의 구리 커넥터(170)와 피드스루(180, feedthrough)에 의하여 상호 연결될 수 있다.
참고로, 점선 표시된 부분은 원통형 SOFC유닛(100)을 밀봉하고 가압챔버(200) 내부에 연결 장착하기 위한 각종 밀봉 부재들을 나타낸 것이다.
이상과 같이 본 발명은 비교적 낮은 온도에서도 원활한 가동이 가능하고, 고온 반응을 억제하여 시스템 전체의 안정성을 높일 수 있음은 물론, 연료전지의 단위 셀로서 원통형 SOFC유닛의 밀봉이 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템을 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.
그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.
100...원통형 SOFC유닛
110...지지체
120...연료극층
130...전해질층
140...GDC 버퍼층
150...공기극층
200...가압챔버
300...가압 유닛
310...파열판
320...기화기
321...HLPC
330...혼합배관
340...히터
350...차압 전송기
360...버퍼챔버
370...에어 공급관부
380...배출관부
390...EPC
d1...제1 두께
d2...제2 두께
d3...제3 두께
d4...제4 두께

Claims (7)

  1. ScSZ(Scandia-Stabilized Zirconia)를 포함하는 전해질층(electrolyte layer)이 형성된 원통형의 지지체를 포함하는 원통형 SOFC유닛(tubular SOFC unit); 및
    상기 원통형 SOFC유닛이 내장되는 가압챔버를 포함하며,
    상기 원통형 SOFC유닛의 출력은 상기 가압챔버 내의 압력 증가에 비례하여 증대되는 것을 특징으로 하는 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 원통형 SOFC유닛은,
    상기 지지체의 표면에 형성된 연료극층(anode layer)과,
    상기 연료극측의 표면에 형성된 상기 전해질층과,
    상기 전해질층의 표면에 형성된 GDC 버퍼층(Gadolinium-Doped Ceria buffer layer)과,
    상기 GDC 버퍼층 의 표면에 형성된 공기극층(cathode layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 연료극층은 상기 지지체의 표면에 제1 두께로 형성되며, 상기 전해질층은 상기 연료극층의 표면에 상기 제1 두께보다 얇은 제2 두께로 형성되고, 상기 GDC 버퍼층은 상기 공기극층과 상기 전해질층 사이에 상기 제2 두께보다 얇은 제3 두께로 형성되며, 상기 공기극층은 상기 GDC 버퍼층의 표면에 상기 제1 두께보다 두꺼운 제4 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 두께는, 8 내지 13㎛인 것을 특징으로 하는 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 두께는, 4 내지 8㎛인 것을 특징으로 하는 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 제3 두께는, 1 내지 4㎛인 것을 특징으로 하는 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 제4 두께는, 13 내지 18㎛인 것을 특징으로 하는 원통형 SOFC를 이용한 가압운전 시스템.
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