KR20200025361A - 고체산화물 연료전지용 연결재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지용 연결재에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 공기주입부 주변의 돌출부를 제거하여 유로부의 너비를 넓힘으로써 공기극에 가해지는 단위면적당 열이 감소하게 되어, 공기극에 이차상이 생기는 것을 방지하는 고체산화물 연료전지용 연결재에 관한 것이다.

Description

고체산화물 연료전지용 연결재{INTERCONNECT FOR SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 발명은 고체산화물 연료전지용 연결재에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 공기주입부 주변의 돌출부를 제거하여 유로부의 너비를 넓힘으로써 공기극에 가해지는 단위면적당 열이 감소하게 되어, 공기극에 이차상이 생기는 것을 방지하는 고체산화물 연료전지용 연결재에 관한 것이다.
최근, 석유와 같은 기존 에너지 자원이 고갈되면서 이들을 대체할 수 있는 대체에너지에 대한 관심이 높아지고 있는데 이러한 대체에너지의 하나로 연료전지가 주목을 받고 있다.
연료전지는 물의 전기분해 반응의 역반응을 이용하여 전기를 생산하는 것으로서, 천연가스, 석탄가스, 메탄올 등의 탄화수소 계열의 물질에 포함되어 있는 연료와, 공기 중의 산소를 전기 화학반응을 통해 전기에너지로 변환시키는 기술을 응용한다.
기존의 발전기술이 연료의 연소, 증기발생, 터빈구동, 발전기구동 등의 여러 과정을 포함하는 것과 달리, 가령 SOx와 NOx 등의 대기오염물질을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적으며, 소음이나 진동 등이 거의 없다는 장점이 있다.
이러한 연료전지에도 많은 종류가 있으며 예컨대, 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC) 등 다양한 종류가 있다. 상기 연료전지 중, 고체산화물 연료전지(SOFC)는, 활성화 분극에 바탕한 과전압이 낮고, 비가역적 손실이 적으므로 발전효율이 높으며, 다양한 연료를 개질기 없이 사용 가능하여 가령 수소뿐만 아니라 탄소 또는 하이드로카본계의 연료를 사용할 수 있어 연료 선택폭이 넓고, 전극에서의 반응속도가 빨라 값비싼 귀금속 촉매를 필요로 하지 않는 다는 여러 장점을 갖는다. 또한 반응 중 매우 높은 열을 발생하므로, 고온의 열을 연료의 개질(改質)이나, 산업용이나 냉방용 에너지원으로 이용할 수 도 있다.
허나, 종래의 고체산화물 연료전지의 공기극에서 발생하는 고온의 열로 인해 공기극의 표면에 이차상이 발생하여, 고체산화물 연료전지의 장기 운전시 연료전지의 내구성을 약화시키는 문제점이 있었다.
이와 관련하여, 고체산화물 연료전지의 공기극에 가해지는 열을 낮추어 이차상 발생을 없애는 기술이 필요한 실정이다.
한국특허공보 제 10-1409639호 한국특허공보 제 10-1180161호 일본특허공보 제 2017-010682호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 고체산화물 연료전지용 연결재의 공기가 유입되는 공기주입부 주변의 돌출부를 일부 제거하여, 유로부의 너비를 증가시키고 공기극에서 발생하는 발열반응의 반응면적을 넓힘으로써, 공기극의 이차상이 발생하는 것을 방지하는 고체산화물 연료전지용 연결재를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 단위 셀 공기극의 이차상 발생 방지를 통해 고체산화물 연료전지의 장기내구성을 높일 수 있는 고체산화물 연료전지용 연결재를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 연결재는, 단위 셀의 공기극(cathode)에 접하는 요철형태의 돌출부; 상기 돌출부 사이에 위치하고 공기(air)가 이동하는 복수의 유로부; 및 상기 유로부로 공기가 유입되는 공기주입부(inlet)와 상기 공기가 배출되는 공기배출부(outlet);를 포함하고, 상기 공기주입부 주변의 일정 영역에서 상기 돌출부가 제거되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 일정 영역은, 상기 공기주입부를 기준으로 상기 공기배출부 방향으로 15 ~ 25mm의 범위인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 일정 영역에서, 상기 돌출부가 전부 제거되어 하나의 유로부를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고체산화물 연료전지용 연결재는 상기 돌출부가 제거됨으로써, 상기 공기극에 가해지는 단위면적당 열이 감소하고 그로 인해 상기 공기극의 상 변이를 방지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유로부는, 상기 공기배출부에서 상기 공기주입부로 가까워질수록 온도가 높아지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유로부는, 곡사형(serpentine) 및 평행형(parallel) 중 하나 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 돌출부의 너비는, 상기 공기배출부 주변 상기 유로부의 너비와 동일한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고체산화물연료전지 연결재는, 금속재료로 이루어져있고, 내산화 전도성 세라믹 물질로 코팅된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내산화 전도성 세라믹 물질은, 코발트(Co)를 포함하고 스피넬 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속재료는 철(Fe), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni) 중 하나 이상의 금속원소가 포함된 합금인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 고체산화물 연료전지용 연결재의 공기주입부를 기준으로 돌출부의 길이를 전체 길이의 40%이내를 제거함으로써, 공기주입부 주변 유로부의 너비가 증가되도록 하여, 유로부에서 발생하는 발열반응의 반응면적이 넓어지는 효과가 발생하게 된다.
또한, 유로부 부분에 대응되는 고체산화물 연료전지의 공기극에 단위면적당 가해지는 열이 감소하고, 공기극에 이차상 발생을 방지할 수 있어서 고체산화물 연료전지의 장기내구성을 높이는 효과가 발생하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 연결재의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 연결재 a-a' 면의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 연결재 b-b' 면의 일부를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 곡사형 유로부가 형성된 고체산화물 연료전지용 연결재의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 돌출부(10)의 제거한 길이에 따른 공기극(C)의 변화를 측정한 실험 결과이다.
본 발명에 대한 상세한 설명은 당 업계의 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위한 것이다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 하거나, 어떤 구조와 형상을 “특징”으로 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하거나 다른 구조와 형상을 배제한다는 것이 아니라, 다른 구성요소, 구조 및 형상을 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 제시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 실시예의 의한 발명의 내용을 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 연결재(100)(interconnect)의 사시도이다. 도 1을 참고하면, 고체산화물 연료전지용 연결재(100)는 돌출부(10), 유로부(20), 공기주입부(30) 및 공기배출부(40)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 고체산화물 연료전지용 연결재(100)에는, 특정한 형태의 판에 복수의 돌출부(10)가 일정한 크기의 바(bar)형태로 나란히 형성되고 그로 인해 돌출부(10) 사이에 복수의 유로부(20)가 형성되고, 그리고 공기주입부(30)와 공기배출부(40)가 돌출부(10) 및 유로부(20)를 기준으로 서로 마주보도록 위치되도록 구성될 수 있다.
이러한 고체산화물 연료전지용 연결재(100)는 고체산화물 연료전지의 구성요소로써 각각의 단위 셀을 연결시키는 역할을 수행하고, 이러한 역할을 수행하기 위해 고체산화물 연료전지용 연결재(100)는 높은 전기전도도와 산화 및 환원분위기 하에서 상 안정성 및 화학적 안정성이 요구될 수 있다.
이를 위해, 고체산화물 연료전지용 연결재(100)는 전기 전도도가 높은 금속재료로 이루어질 수 있고, 내산화 전도성 세라믹 물질로 코팅될 수 있다. 이때, 내산화 전도성 세라믹 물질은 코발트(Co)를 포함하고 스피넬 구조로 이루어질 수 있음을 유의한다. 그리고 고체산화물 연료전지용 연결재(100)를 구성하는 금속재료는 철(Fe), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni) 중 하나 이상의 금속원소가 포함된 합금을 포함할 수 있다. 각 구성 요소의 구체적인 설명은 다음과 같다.
돌출부(10)는 고체산화물 연료전지용 연결재(100)에 유로부(20)가 형성되도록 하는 역할을 수행하고, 유로부(20)는 고체산화물 연료전지용 연결재(100)에 공기가 이동할 수 있는 공간을 제공하는 역할을 수행한다. 이러한 역할을 수행하기 위해, 돌출부(10)는 고체산화물 연료전지용 연결재(100)의 일면에 위치되어 요철형태로 형성될 수 있고, 유로부(20)는 각 돌출부(10)사이에 위치될 수 있다.
또한, 돌출부(10)는 단위 셀의 공기극(C)에 접촉될 수 있고, 유로부(20)는 유로부(20)에서 이동하는 산소와 공기극(C) 사이 발열반응으로 인하여 온도가 높아질 수 있다. 이러한 발열반응은 산소농도가 높을수록 많이 일어날 수 있기 때문에, 유로부(20)는 비교적 산소농도가 낮은 공기배출부(40)에서 산소농도가 높은 공기주입부(30)로 가까워질수록 온도가 높아질 수 있다. 그리고 이러한 열로 인하여 공기극(c) 표면에 상 변이가 일어나서 이차상이 형성될 수 있다. 이러한 공기극(c)의 이차상은 고체산화물 연료전지의 장기 내구성을 낮추는 요인으로 작용될 수 있다.
따라서, 공기극(C)에 이차상이 발생하는 것을 방지하기 위해, 공기주입부(30) 주변의 일정 영역에서 돌출부(10)가 전부 제거되어 하나의 유로부(20)를 형성할 수 있다. 이렇게 유로부(20)의 너비가 넓어짐으로써, 대응되는 공기극(C)의 단위면적당 가해지는 열이 감소하게 되어 공기극(C)에 이차상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 연결재(100) a-a' 면의 단면도이다. 도 2를 참고하면, 공기주입부(30) 주변 일정 영역의 돌출부(10)가 제거되어, 너비가 넓어지고 하나의 유로로 구성된 공기주입부 방향 유로부(20a)를 확인할 수 있다. 그리고 그로 인해 공기극(C)에서 발생하는 발열반응의 반응면적이 넓어진 것을 확인할 수 있다. 이때, “일정 영역”이라는 것은 공기주입부(30)에서 유입되는 공기가 이동하는 경로를 따라 공기주입부(30)를 기준으로 공기배출부(40) 방향으로 15 ~ 25mm에 해당하는 영역을 의미할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 연결재(100) b-b' 면의 일부를 도시한 단면도이다. 도 3을 참고하면, 하나의 유로로 구성된 공기주입부 방향 유로부(20a)와 달리 공기배출부(40) 주변의 돌출부(10)는 제거되지 않았기 때문에 공기배출부 방향 유로부(20b)는 너비가 일정한 복수의 유로가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
또한, 돌출부(10)의 요철형태는 동일한 크기만큼 돌출 및 침강이 반복되는 구조로 이루어져있어서, 돌출부(10)의 너비는 유로부(20)의 너비와 동일할 수 있다. 따라서, 유로부(20)의 형태는 돌출부(10)의 형태에 따라 달라질 수 있고, 이러한 유로부(20)의 형태는 곡사형(serpentine) 및 평행형(parallel) 중 하나일 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 곡사형 유로부(10)가 형성된 고체산화물 연료전지용 연결재의 사시도이다. 도 4를 참고하면, 고체산화물 연료전지용 연결재(100)에 형성된 돌출부(10) 및 유로부(20)가 곡사 형태로 형성될 수 있음을 확인할 수 있다. 본 발명은 평행형 및 곡사형 유로부(20)를 포함하는 고체산화물 연료전지용 연결재(100)를 제시하고 있지만, 이는 본 발명의 내용을 한정하는 것이 아니며 유로부(20)가 상술된 역할을 수행하면 충분하며 특별한 구성의 제한이 있지 않음을 유의한다.
공기주입부(30)는 유로부(20)로 공기가 주입되는 통로를 제공하는 역할을 수행하고, 공기배출부(40)는 공기가 유로부(20)를 따라 이동되어 반응이 끝난 후 배출되는 통로를 제공하는 역할을 수행한다. 도 1을 참고하면, 이러한 역할을 수행하기 위해, 공기주입부(30) 및 공기배출부(40)가 유로부(20)를 기준으로 서로 마주보도록 위치된 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 연결재(100)를 이용하여 돌출부(10)가 제거되는 정도에 따라 공기극(C)의 이차상이 형성되는 정도를 실험하였다. 실험에 있어서 돌출부(10)를 제거한 길이의 정도만 달리하였고, 고체산화물 연료전지용 연결재(100)의 구조, 구성, 실험 온도 및 가동 시간 등의 다른 요인들은 모두 동일한 조건으로 실험을 진행하였다.
<비교예>
도 5(a)를 참고하면, 비교예는 기존의 돌출부가 제거되지 않은 고체산화물 연료전지용 연결재의 이용하여 고체산화물 연료전지를 일정시간 가동한 후 공기극의 상태를 확인한 것이다.
<실험예1>
도 5(b)를 참고하면, 실험예1은 돌출부를 공기주입부를 기준으로 전체 길이의 10%를 제거한 고체산화물 연료전지용 연결재의 이용하여 고체산화물 연료전지를 일정시간 가동한 후 공기극의 상태를 확인한 것이다.
<실험예2>
도 5(c)를 참고하면, 실험예2는 돌출부를 공기주입부를 기준으로 전체 길이의 20%를 제거한 고체산화물 연료전지용 연결재의 이용하여 고체산화물 연료전지를 일정시간 가동한 후 공기극의 상태를 확인한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 돌출부(10)의 제거한 길이에 따른 공기극(C)의 변화를 측정한 실험 결과이다. 도 5의 각 도면을 참고하여 실험결과를 비교해보면, 비교예는 공기극의 일정 영역에 이차상으로 인해 무늬가 형성된 것을 확인할 수 있고, 실험예1은 비교예에서 확인된 무늬가 일부 제거된 것을 확인할 수 있다. 그리고 실험예2는 비교예와 실험예1에서 확인된 무늬 모두 제거된 것을 확인 할 수 있다.
결과적으로, 이를 토대로 판단하면, 고체산화물 연료전지용 연결재(100)의 공기주입부(30) 주변 돌출부(10)를 제거함으로써, 고체산화물 연료전지 장기 가동시 공기극(C)에 이차상이 발생하는 것을 방지할 수 있음을 알 수 있다.
상기 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 고체산화물 연료전지용 연결재.
10: 돌출부
20: 유로부
20a: 공기주입부 방향 유로부
20b: 공기배출부 방향 유로부
30: 공기주입부
40: 공기배출부
C: 공기극

Claims (10)

  1. 단위 셀의 공기극(cathode)에 접하는 요철형태의 돌출부;
    상기 돌출부 사이에 위치하고 공기(air)가 이동하는 복수의 유로부; 및
    상기 유로부로 공기가 유입되는 공기주입부(inlet)와 상기 공기가 배출되는 공기배출부(outlet);를 포함하고,
    상기 공기주입부 주변의 일정 영역에서 상기 돌출부가 제거되는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 연결재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 일정 영역은,
    상기 공기주입부를 기준으로 상기 공기배출부 방향으로 15 ~ 25mm의 범위인 것을 특징으로 하는,
    고체산화물 연료전지용 연결재.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 일정 영역에서, 상기 돌출부가 전부 제거되어 하나의 유로부를 형성하는 것을 특징으로 하는,
    고체산화물 연료전지용 연결재.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지용 연결재는 상기 돌출부가 제거됨으로써, 상기 공기극에 가해지는 단위면적당 열이 감소하고 그로 인해 상기 공기극의 상 변이를 방지하는 것을 특징으로 하는,
    고체산화물 연료전지용 연결재.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 유로부는,
    상기 공기배출부에서 상기 공기주입부로 가까워질수록 온도가 높아지는 것을 특징으로 하는,
    고체산화물 연료전지용 연결재.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 유로부는,
    곡사형(serpentine) 및 평행형(parallel) 중 하나 인 것을 특징으로 하는,
    고체산화물 연료전지용 연결재.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 돌출부의 너비는,
    상기 공기배출부 주변 상기 유로부의 너비와 동일한 것을 특징으로 하는,
    고체산화물 연료전지용 연결재.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 고체산화물연료전지 연결재는,
    금속재료로 이루어져있고, 내산화 전도성 세라믹 물질로 코팅된 것을 특징으로 하는,
    고체산화물 연료전지용 연결재.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 내산화 전도성 세라믹 물질은,
    코발트(Co)를 포함하고 스피넬 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는,
    고체산화물 연료전지용 연결재.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 금속재료는
    철(Fe), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni) 중 하나 이상의 금속원소가 포함된 합금인 것을 특징으로 하는,
    고체산화물 연료전지용 연결재.
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KR101180161B1 (ko) 2010-12-28 2012-09-05 주식회사 포스코 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법
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