KR20190019610A - 고체 산화물 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체 산화물 연료전지 스택에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 인터커넥트(interconnect)와 윈도우 프레임(window frame)을 일체화 시켜 인터커넥트와 윈도우 프레임 사이 발생하는 접촉 불량을 방지하고, 인터커넥트에서 윈도우 프레임으로 하중을 전달될 때 가해지는 하중의 불균형을 방지할 수 있는 고체 산화물 연료전지 스택에 관한 것이다.

Description

고체 산화물 연료전지 스택{SOLID OXIDE FUEL CELL STACK}
본 발명은 고체 산화물 연료전지 스택에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 인터커넥트(interconnect)와 윈도우 프레임(window frame)을 일체화 시켜 인터커넥트와 윈도우 프레임 사이 발생하는 접촉 불량을 방지하고, 인터커넥트에서 윈도우 프레임으로 하중이 전달될 때 가해지는 하중의 불균형을 방지할 수 있는 고체 산화물 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
예를 들어, 고체 산화물 연료 전지는 수소와 산소의 산화/환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 단위 전지와 인터커넥트로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 단위 전지는 전해질막과, 전해질막의 일면에 위치하는 양극(공기극)과, 전해질막의 다른 일면에 위치하는 음극(연료극)을 포함한다.
이에 양극에 산소를 공급하고 음극에 수소를 공급하면, 양극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질막을 지나 음극으로 이동한 후 음극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 음극에서 생성된 전자가 양극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.
상술한 고체 산화물 연료 전지가 복수개 적층도리 경우, 예를 들어, 2개의 단위 전지를 적층하기 위해서는 인터커넥트, 단위 전지, 윈도우 프레임, 스페이서, 집전체가 각각 2개씩 구성되고, 두 개의 단위 전지 사이 하나의 분리판이 더 포함되는 구성으로 제공되었다. 이때, 각 구성들을 접착하기 위해 각 구성들 사이 실란트(sealant)가 포함된다.
따라서, 종래 고체 산화물 연료 전지는 적층되는 단위 전지의 개수에 따라 구성되는 요소가 증가함으로써, 다수개의 구성 요소의 정렬이 흐트러져 고체 산화물 연료 전지의 접착을 위해 외부에서 가해지는 압력이 각 구성에 불균형하게 전달되는 문제점이 발생하였다. 그리고, 고체 산화물 연료 전지의 정렬이 흐트러짐에 따라 각 구성요소 간 접촉 불량이 발생하였고, 고체 산화물 연료 전지에 공급되는 공기 및 연료가 외부로 배출되는 문제점이 발생하였다.
이에, 고체 산화물 연료 전지를 구성하는 구성 요소의 수를 감소하여 하중 불균형 및 접촉 불량을 방지하는 고체 산화물 연료 전지가 필요한 실정이다.
한국공개특허 제10-2012-0033661호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 인터커넥트와 윈도우 프레임을 일체화시켜 구성 요소의 개수가 감소된 고체 산화물 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 구성 요소의 개수를 감소시킴으로써, 실링 온도에서 고체 산화물 연료전지 스택에 가해지는 외부 압력이 균형되게 분배되고 구성 요소간 접촉 불량을 방지하는 고체 산화물 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지 스택은 단위셀; 상기 단위셀의 상부에 위치되고, 외부에서 공급되는 공기를 상기 단위셀에 분배 및 상기 단위셀로 유동시키는 공기극 인터커넥트; 및 상기 단위셀의 하부에 위치되고, 외부에서 공급되는 연료를 상기 단위셀에 분배 및 상기 단위셀로 유동시키는 연료극 인터커넥트;를 포함하고, 상기 공기극 및 연료극 인터커넥트는, 일면에 특정한 패턴을 갖는 유로가 형성된 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 유로는, 상기 공기 혹은 상기 연료가 유동하는 유로부; 및 상기 유로부를 형성하고, 상기 단위셀 방향으로 일정한 높이를 가지는 유로 형성부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 유로 형성부는, 하나 이상 형성되고, 각각 일정한 거리 이격되게 제공되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 유로 형성부는, 단면 및 평면이 원형, 타원형, 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률각형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형으로 형성된 군에서 선택된 어느 하나의 모양으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 유로부는, 격자 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, n번째 줄(n은 1이상의 정수)과 n+1번째 줄에 형성된 상기 유로 형성부는 서로 교차되어 위치되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, n번째 줄(n은 1이상의 정수)과 n+1번째 줄에 형성된 상기 유로 형성부는 동일 선상에 위치되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 공기극 및 상기 연료극 인터커넥트는, 상기 단위셀의 가장자리와 대응되는 일면에 상기 공기 혹은 상기 연료를 분리하는 분리 유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 공기극 인터커넥트 유로와 상기 연료극 인터커넥트 유로는 상이한 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 공기극 인터커넥트 유로와 상기 연료극 인터커넥트 유로는 동일한 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 고체 산화물 연료전지 스택을 구성하는 구성 요소의 개수를 줄여 스택의 정렬이 흐트러지는 것을 방지함으로써, 외부에서 압력이 가해질 때 뒤틀림 없이 정렬된 고체 산화물 연료전지 스택에 하중이 균일하게 균일하게 분포되는 효과가 발생하게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 고체 산화물 연료전지 스택이 뒤틀림 없이 균일하게 정렬되어 구성 요소 간의 접촉 불량이 방지되고, 연료전지 스택에 공급되는 공기 및 연료가 외부로 배출되는 것을 방지하는 효과가 발생하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체 산화물 연료전지 스택을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체 산화물 연료전지 스택의 절단 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고체 산화물 연료전지 스택의 절단 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 고체 산화물 연료전지 스택의 절단 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인터커넥트를 도시한 평면도이다.
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 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 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.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
<고체 산화물 연료전지 스택>
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체 산화물 연료전지 스택을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 A-A'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고체 산화물 연료전지 스택의 절단 단면도이고, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 고체 산화물 연료전지 스택의 절단 단면도이다. 또한, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인터커넥트(20, 30)를 도시한 평면도이다.
본 발명에 따른 고체 산화물 연료전지 스택은, 복수 개의 단위 모듈이 적층되어 형성될 수 있다. 이때, 단위 모듈은 단위셀(10), 공기극 인터커넥트(20), 연료극 인터커넥트(30) 및 실란트(40)를 포함할 수 있다. 복수 개의 단위 모듈이 적층될 경우, 단위 모듈과 단위 모듈 사이 위치되는 인터커넥트는 공기극 인터커넥트(20)와 연료극 인터커넥트(30)역할을 모두 할 수 있는 것을 유의한다.
단위셀(10)는 공기극(양극, cathode, 11), 전해질(12) 및 연료극(음극, anode, 13)을 포함할 수 있고, 단위 모듈 및 고체 산화물 연료전지 스택에 전기를 발생시키는 역할을 할 수 있다. 연료극(13)에 연료를 공급해주면 연료가 산화되어 전자가 외부회로를 통하여 방출되고, 공기극(11)에 산소를 공급해주면 외부회로로부터 전자를 받아서 산소이온으로 환원된다. 환원된 산소이온은 전해질을 통해 연료극(13)으로 이동하여 산화된 연료와 반응하여 물을 생성한다. 이때, 연료극(13)에서 공기극(11)으로의 전자 흐름으로 직류 전기를 생산하게 된다. 단위셀(10)은 전해질 자립막식, 음극 지지체식 및 다공성지지체 세 가지 구조를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 단위셀(10)은 음극 지지체식 구조로 형성될 수 있다. 공기극(11)은 공기극(11)에서 생성되는 산소 이온과 전해질층(12)을 접촉시켜 전해질층(12)의 환원을 억제하는 역할을 하므로, 면적이 넓을수록 연료전지의 효율이 증가될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 음극(11)은 공기극 인터커넥트(20)와 접촉되지 않는 범위 내에서 넓게 형성될 수 있다.
공기극 및 연료극 인터커넥트(20, 30)는 단위셀(10) 상부 및 하부에 각각 위치될 수 있고, 공기(Air)가 공급되고, 공기극(11) 상부에 위치되는 공기극 인터커넥트(20)와 연료가 공급되고, 연료극(12) 하부에 위치되는 연료극 인터커넥트(30)로 구성될 수 있다. 그리고, 본 발명에 따른 공기극 및 연료극 인터커넥트(20)는 윈도우 프레임과 일체화된 구성으로, 외부에서 공급되는 공기 및 연료를 단위셀(10)에 분배할 수 있다. 아울러, 공기극 및 연료극 인터커넥트(20, 30)는 공기 및 수소가 공급되고 유동되기 위해 유로가 형성될 수 있다.
좀 더 상세하게는, 공기극 및 연료극 인터커넥트(20, 30)는 일면에 규칙 혹은 불규칙적으로 형성된 패턴을 갖는 유로가 형성될 수 있다. 여기서, 유로는 유로부(21, 31) 및 유로 형성부(22, 32)를 포함할 수 있다. 유로부(21, 31)는 공기 및 연료 중 어느 하나의 기체가 공급 및 유동되는 길의 역할을 할 수 있고, 유로 형성부(21)는 유로부(21, 31)를 형성하기 위한 것으로, 단위셀(10) 방향으로 일정한 높이를 가지고 있는 기둥형상으로 제공될 수 있다.
도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 유로 형성부(21)는 공기극 인터커넥트(20)의 일면에 하나 이상 형성되며, 하나 이상의 유로 형성부(21)는 각각 일정한 거리 이격되어 제공될 수 있다.
도 5(a)를 참고하면, 공기극 인터커넥트(20) 일면에 유로가 규칙적인 패턴으로 형성될 경우, 유로 형성부(21)는 수직 및 수평 방향으로 일정 간격 이격되어 제공될 수 있다. 즉, 공기극 인터커넥트(20) 일면에 수평 방향으로 동일 선상에 일정 간격 이격되어 형성된 유로 형성부를 n번째 줄이라고 할 경우, n번째 줄과 n+1번째 줄에 형성된 유로 형성부가 동일 선상에 위치될 수 있다. 따라서, 유로 형성부(21)는 수평 및 수직 방향으로 같은 선상에 형성될 수 있다. 이때, n은 1이상의 자연수이다.
도 5(b)를 참고하면, 공기극 인터커넥트(20) 일면에 유로가 불규칙적인 패턴으로 형성될 경우, 유로 형성부(21)는 수평 방향으로 일정 간격 이격되어 형성된 n번째 줄과 n+1번째 줄이 교차되어 제공될 수 있다. 예를 들어, 2번째 줄의 유로 형성부(21)는 1번째 줄의 유로 형성부(21) 사이 이격된 간격과 대응되는 위치에 제공될 수 있다. 따라서, 1번째 줄의 유로 형성부(21)와 2번째 줄의 유로 형성부(21)는 어긋나 형성될 수 있다. 여기서, 유로 형성부(21)가 규직 혹은 불규칙적으로 배열될 경우, 유로부는 격자 모양으로 제공될 수 있다.
그리고, 유로 형성부(21)는 단면 및 평면이 원형, 타원형, 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률각형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형으로 형성된 군에서 선택된 어느 하나의 모양으로 형성될 수 있다.
유로 형성부(21)가 일정 높이를 갖는 기둥 형상으로 제공됨으로써, 인터커넥트(20, 30)의 기계 가공 시 발생할 수 있는 캠버(camber)를 감소시킬 수 있다. 여기서, 캠버란 인터커넥트의 중심 부분이 만곡하는 형상을 의미할 수 있다. 그리고, 유로 형성부(21)가 다수개 형성되고 일정한 간격이 이격됨으로써, 외부로부터 가해지는 하중이 유로 형성부(21)를 통해 단위셀에 균일하게 전달될 수 있다.
그러나, 본 발명에 따른 유로는 도 5에 한정되지 않고, 연료극 인터커넥트(30)에도 적용가능한 것을 유의한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지 스택에 포함된 공기극 및 연료극 인터커넥트(20, 30)는 각각 동일하거나 상이한 패턴으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 공기극 및 연료극 인터커넥트(20, 30)가 각각 규칙적인 패턴의 유로가 형성될 수 있다. 즉, 유로가 규칙적인 패턴으로 형성될 경우, 단위셀(10) 상부 및 하부에 위치되는 공기극 및 연료극 인터커넥트(20, 30)를 분류할 필요가 없이 자유롭게 제공 가능한 효과가 발생할 수 있다.
도 2를 참고하면, 공기극 인터커넥트(20)와 연료극 인터커넥트(30)의 유로 패턴이 상이하게 제공될 수 있다. 예를 들어, 공기극 인터커넥트(20)의 유로는 규칙적인 패턴으로 형성될 수 있고, 연료극 인터커넥트(30)에 형성된 유로는 불규칙적인 패턴으로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지 스택은 공기극 및 연료극 인터커넥트(20, 30)의 일면에 분리 유로(23)를 더 포함할 수 있다. 분리 유로(23)는 윈도우 프레임과 같이 고체 산화물 연료전지에 공급되는 공기 및 연료가 서로 섞이지 않고 분리시키는 역할을 할 수 있다. 즉, 스택 상부 및 하부 중 어느 하나의 방향에서 공급되는 연료 및 공기 중 연료가 단위셀(10)의 공기극(11)으로 공급되는 것을 방지하고, 그리고, 공기를 단위셀(10)의 공기극(11)으로 공급해 주는 역할을 할 수 있다. 따라서, 분리 유로(23)는 외부에서 유입된 공기가 단위셀(10)의 공기극(11)으로 유동될 수 있게 공기극 인터커넥트(20) 일면에 형성될 수 있다. 아울러, 분리 유로(23)는 공기극 인터커넥트(20)의 유로와 공기/연료 유입홀 및 배출홀 사이 수직 방향으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 실링재(40)는 공기극 인터커넥트(20)와 연료극 인터커넥트(30) 사이 위치될 수 있다. 실링재(40)는 공기극 인터커넥트(20)와 연료극 인터커넥트(30)를 접합시키는 역할을 할 수 있고, 따라서, 공기극 인터커넥트(20)와 연료극 인터커넥트(30)가 접촉되는 인터커넥트(20, 30) 가장자리에 위치될 수 있다.
그리고, 고체 산화물 연료전지 스택은 공기극 인터커넥트(20)와 연료극 인터커넥트(30)가 절연될 경우, 통전 현상이 발생되지 않아 단위셀(10)로부터 생성된 전기가 집전될 수 있다. 따라서, 실링재(40)는 절연성 재료로 제공될 수 있고, 예를 들어, 유리 및 결정화 유리 중 어느 하나로 제공될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 단위셀
11: 공기극
12: 전해질
13: 연료극
20: 공기극 인터커넥트
21, 31: 유로부
22, 32: 유로 형성부
23: 분리 유로
30: 연료극 인터커넥트
40: 실링재

Claims (10)

  1. 단위셀;
    상기 단위셀의 상부에 위치되고, 외부에서 공급되는 공기를 상기 단위셀에 분배 및 상기 단위셀로 유동시키는 공기극 인터커넥트; 및
    상기 단위셀의 하부에 위치되고, 외부에서 공급되는 연료를 상기 단위셀에 분배 및 상기 단위셀로 유동시키는 연료극 인터커넥트;를 포함하고,
    상기 공기극 및 연료극 인터커넥트는,
    일면에 특정한 패턴을 갖는 유로가 형성된 것을 특징으로 하는,
    고체 산화물 연료전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유로는,
    상기 공기 혹은 상기 연료가 유동하는 유로부; 및
    상기 유로부를 형성하고, 상기 단위셀 방향으로 일정한 높이를 가지는 유로 형성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지 스택.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유로 형성부는,
    하나 이상 형성되고, 각각 일정한 거리 이격되게 제공되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지 스택.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 유로 형성부는,
    단면 및 평면이 원형, 타원형, 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률각형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형으로 형성된 군에서 선택된 어느 하나의 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지 스택.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 유로부는,
    격자 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지 스택.
  6. 제2항에 있어서,
    n번째 줄(n은 1이상의 자연수)과 n+1번째 줄에 형성된 상기 유로 형성부는 서로 교차되어 위치되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지 스택.
  7. 제2항에 있어서,
    n번째 줄(n은 1이상의 정수)과 n+1번째 줄에 형성된 상기 유로 형성부는 동일 선상에 위치되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지 스택.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공기극 및 상기 연료극 인터커넥트는,
    상기 단위셀의 가장자리와 대응되는 일면에 상기 공기 혹은 상기 연료를 분리하는 분리 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 공기극 인터커넥트 유로와 상기 연료극 인터커넥트 유로는 상이한 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 공기극 인터커넥트 유로와 상기 연료극 인터커넥트 유로는 동일한 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지.
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