KR20230093841A - 고온수전해 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 고온수전해 스택은, 리피팅유닛이 반복적층되며, 상기 리피팅유닛은, 분리판; 상기 분리판에 적층되며 양극판과 음극판을 포함하는 셀; 및 상기 셀을 감싸면서 상기 분리판에 적층되는 셀프레임;을 포함하며, 상기 분리판은 상기 음극판 사이에 형성된 음극챔버가 외부와 연통되도록, 서로 마주보는 제1 측부와 제2 측부가 오픈 매니폴드 구조로 이루어진다.

Description

고온수전해 스택{SOLID OXIDE ELECTROLYSIS CELL STACK}

본 발명은 고온수전해 스택으로서, 고온수전해 방식을 통해 수소를 생산하는 고온수전해 스택에 관한 것이다.

고온수전해 스택은 일반적으로 고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC) 기술에 기반으로 설계 및 제작된다.

고온수전해는(H₂O → H₂ + 1/2O₂) 연료전지 반응(H₂ + 1/2O₂ → H₂O)의 역반응이기 때문에 고체산화물 연료전지(SOFC) 스택을 그대로 사용할 수 있다.

연료전지 모드일 경우 수소와 산소를 사용하여 물과 전류를 발생하며, 고온수전해 모드로 변경할 경우 물과 전류를 사용하여 수소와 산소를 발생시킨다.

고체산화물 연료전지(SOFC) 스택은 수소와 공기를 투입시키기 위한 2개의 인렛(In-let) 배관 및 스택 분리판 내 매니폴드홀(Manifold hole)과 같은 구조물이 필요하며, 물과 잔여공기가 배출되는 2개의 아울렛(Out-let) 배관 및 매니폴드홀(Manifold hole)이 필요함에 따라, 배관은 총 4개가 연결된다.

일반적으로 고체산화물 연료전지(SOFC)를 기반으로 하는 고온수전해 스택도 동일하게 4개의 배관과 매니폴드홀(Manifold hole) 구조가 필요한데, 이는 고온수전해 스택이 고체산화물 연료전지(SOFC) 스택을 기반으로 설계 및 제작되기 때문이며, 단일 스택으로 고체산화물 연료전지(SOFC)와 고온수전해의 가역 운전이 가능하기 때문이다.

이와 같이 고온수전해 스택의 경우에는 4개의 배관과 분리판 내 4개의 매니폴드홀(Manifold hole) 구조가 구성되는데, 실질적으로는 필요없는 구성이라고 할 수 있는 일부 배관과 일부 매니폴드홀 구조가 있음에 따라, 스택의 전체 부피를 줄일 수 없으며 이로 인하여 수소 생산량도 한정적인 한계가 있다.

일본 공개특허공보 제2017-520685호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 단순하면서도 컴팩트한 고온수전해 스택을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고온수전해 스택은, 리피팅유닛이 반복적층되며, 상기 리피팅유닛은, 분리판; 상기 분리판에 적층되며 양극판과 음극판을 포함하는 셀; 및 상기 셀을 감싸면서 상기 분리판에 적층되는 셀프레임;을 포함하며, 상기 분리판은 상기 음극판 사이에 형성된 음극챔버가 외부와 연통되도록, 서로 마주보는 제1 측부와 제2 측부가 오픈 매니폴드 구조로 이루어진다.

여기에서, 상기 분리판의 일면에는 상기 음극판 측으로 돌출된 음극측돌기라인이 형성되고, 상기 분리판은 상기 음극측돌기라인의 길이방향 양단부 측이 외부로 개방된 구조인 상기 오픈 매니폴드 구조로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 분리판은 상기 양극판 사이에 형성된 양극챔버가 외부와 차단되면서 내부유동되도록, 서로 마주보는 제3 측부와 제4 측부가 인터널 매니폴드 구조로 이루어지며, 상기 분리판의 타면에는 상기 양극판 측으로 돌출된 양극측돌기라인이 형성되고, 상기 분리판은 상기 양극측돌기라인의 길이방향 양단부 측에 위치된 확장부분에 매니폴드홀이 형성될 수 있다.

나아가, 상기 분리판은, 상기 음극측돌기라인의 길이방향에서의 상기 제1 측부의 끝단과 상기 제2 측부의 끝단 사이의 길이가, 상기 양극측돌기라인의 길이방향에서의 상기 제3 측부의 끝단과 상기 제4 측부의 끝단 사이의 길이보다 짧은 외형을 가질 수 있다.

또한, 상기 셀프레임은, 상기 분리판의 매니폴드홀과 대응되는 프레임홀이 형성되고, 상기 분리판과 대응되는 외형으로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 셀은 평판형 구조로서 상기 음극판이 상기 분리판의 일면 측에 배치되고, 상기 음극판보다 크기가 작은 상기 양극판이 상기 음극판의 테두리 내측에 배치되면서 상기 음극판에 의해 지지되는 구조로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 셀프레임은 상기 양극판이 관통배치되는 중앙홀이 형성되고, 상기 중앙홀의 테두리에는 상기 음극판이 인입배치되는 테두리홈이 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 고온수전해 스택은, 음극챔버가 외부와 연통되게 분리판에서 두 개의 측부가 오픈 매니폴드 구조로 구성됨으로써, 평면도 형상이 정사각형 구조에서 직사각형 구조로 변하게 하여 스택 전체의 부피를 줄여서 컴팩트한 스택으로 변경됨에 따라, 종국적으로 부피 대비 수소생산량을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.

나아가, 본 발명은 상술된 오픈 매니폴드 구조에 따라 기존 스택과 다르게 인렛배관과 아웃렛배관이 각각 1개씩 총 2개만 필요함에 따라, 유압관련 구성이 간단하게 되어 유압시스템 효율을 향상시키는 장점을 지닌다.

도 1은 본 발명에 따른 고온수전해 스택의 분리판 일면(음극판측 면)을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 고온수전해 스택의 분리판 타면(양극판측 면)을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 분리판 일면에 셀이 안착된 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 셀의 음극판에서 산소가 생성되어 셀의 음극판과 분리판 사이를 통해 유동하는 것을 나타낸 도면이다.
도 5는 셀의 양극판에서 수소가 생성되어 셀의 양극판과 분리판 사이를 통해 유동하는 것을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 4 또는 도 5의 리피팅유닛을 복수 개 적층한 고온수전해 스택을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 또한, 본 명세서에서, '상', '상부', '상면', '하', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 구성요소가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명에 따른 고온수전해 스택의 분리판 일면(음극판측 면)을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 고온수전해 스택의 분리판 타면(양극판측 면)을 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1의 분리판 일면에 셀이 안착된 것을 나타낸 도면이다.

또한, 도 4는 셀의 음극판에서 산소가 생성되어 셀의 음극판과 분리판 사이를 통해 유동하는 것을 나타낸 도면이고, 도 5는 셀의 양극판에서 수소가 생성되어 셀의 양극판과 분리판 사이를 통해 유동하는 것을 나타낸 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 고온수전해 스택(도 6의 S)은 리피팅유닛(Repeating Unit)(U)이 반복적층되어 이루어진다.

여기에서, 상기 리핑팅유닛(U)은 분리판(100), 셀(200), 및 셀프레임(300)을 포함한다.

상기 분리판(100)은 하측 셀(200)의 양극판(210)과 상측 셀(200)의 음극판(220)의 사이에 배치되어, 수소와 산소가 섞이지 않도록 한다. 즉, 분리판(100)은 외부에서 양극판(210) 측의 양극챔버로 공급된 수소와, 음극판(220)에서 생성된 음극챔버 내부의 산소가 섞이지 않도록 하는 역할을 수행한다.

또한, 상기 셀(200)은 분리판(100)에 적층되며, 양극판(210)과 음극판(220)으로 이루어진다.

그리고, 상기 셀프레임(300)은 셀(200)의 둘레를 감싸면서 분리판(100)에 적층된다.

이때, 상기 분리판(100)은 음극판(220) 사이에 형성된 음극챔버가 고온수전해 스택의 외부와 연통되도록, 서로 마주보는 제1 측부(101)와 제2 측부(102)가 오픈 매니폴드(Open manifold) 구조로 이루어진다.

구체적으로, 상기 분리판(100)의 일면(도면 상으로 상면)에는 음극판(220) 측으로 돌출된 음극측돌기라인(110)이 형성되고, 분리판(100)은 음극측돌기라인(110)의 길이방향 양단부 측이 외부로 개방된 구조인 오픈 매니폴드 구조를 취한다.

즉, 상기 분리판(100)은 음극측돌기라인(110)의 길이방향 양단부 측에 위치된 제1 측부(101)와 제2 측부(102)에 매니폴드홀을 가진 부분이 형성되지 않고, 다시 말해 매니폴드홀(100a)이 형성된 일정 면적을 가진 부분이 구성되지 않음에 따라, 제1 측부(101)와 제2 측부(102)가 개방된 구조를 이룬다.

이에 따라, 음극판(220)에서 생성되어 음극챔버 내에 수용되는 산소는 매니폴드홀을 통해 고온수전해 스택 내부에서 유동하지 않고, 음극챔버로부터 고온수전해 스택의 외부로 바로 배출된다.

한편, 본 발명의 분리판(100)은 양극챔버 측에 종래와 같이 인터널 매니폴드 구조가 형성된다. 즉, 분리판(100)은 양극판(210) 사이에 형성된 양극챔버에서의 수소가 외부와 차단되면서 매니폴드홀(100a)을 통해 유동되도록, 서로 마주보는 제3 측부(103)와 제4 측부(104)가 인터널 매니폴드 구조로 이루어진다.

구체적으로, 상기 분리판(100)의 타면에는 양극판(210) 측으로 돌출된 양극측돌기라인(120)이 형성되고, 이때 분리판(100)은 양극측돌기라인(120)의 길이방향 양단부 측에 위치된 확장부분(100b)에 매니폴드홀(100a)이 형성된 인터널 매니폴드 구조로 이루어진다. 즉, 분리판(100)의 제3 측부(103)와 제4 측부(104) 각각은 제1 측부(101) 및 제2 측부(102)와 다르게 매니폴드홀(100a)이 형성된 확장부분(100b)이 추가로 형성된 구조를 가진다.

이와 같이 본 발명의 고온수전해 스택은 음극챔버가 외부와 연통되는 구조로 구성되는데, 즉 4개의 측부에 각각 매니폴드홀을 가진 종래의 스택과는 다르게 2개의 측부에만 매니폴드홀(100a)이 구성되는데, 이에 따라 4개의 배관을 가진 종래의 스택과는 다르게 2개의 배관만 구성된다. 즉, 본 발명은 도 6에 도시된 바와 같이 양극챔버에 스팀을 공급하는 스팀배관(401)과, 스팀 및 수소가 배출되는 스팀수소배관(402)만이 설치된다.

구체적으로, 본 발명의 고온수전해 스택에서는 음극챔버로 공기가 공급되기 위해 음극챔버에 연결되는 인렛배관이 필요 없다. 고온수전해 스택의 음극챔버에 공기를 투입하는 이유는 고체산화물 연료전지(SOFC) 스택 기술의 연장선상에 있어서 관습적으로 사용되기 때문이며, 고온 유지(작동온도 700℃ ~ 900℃)가 용이하기 때문이지만, 양극챔버에 연결된 인렛배관을 통한 고온의 스팀만으로도 충분히 열을 전달할 수 있고, 발열 모드에서 운전할 경우 추가적인 열을 확보할 수 있기 때문에 음극챔버에 연결되는 인렛배관은 필요 없다. 아울러, 오픈 매니폴더 구조와 연결된 음극챔버에서는 공기 및 산소가 배출되는 아울렛배관도 필요 없다.

그리고, 본 발명은 상술된 구성에 따라 평면도 형상이 직사각형 구조로 이루어질 수 있다. 이때 본 명세서에서의 직사각형은 전체적으로 직사각형과 동일하거나 유사한 구조를 포함하는 의미로서, 테두리가 직선과 약간 다르거나, 꼭지점 부분이 약간 굴곡진 형상 등도 포함함은 물론이다.

구체적으로, 본 발명은 음극측돌기라인(110)의 길이방향의 제1 측부(101)의 끝단과 제2 측부(102)의 끝단 사이의 길이가, 양극측돌기라인(120)의 길이방향의 제3 측부(103)의 끝단과 제4 측부(104)의 끝단 사이의 길이보다 짧은 외형을 가진다.

즉, 본 발명은 제1 측부(101)와 제2 측부(102)가 오픈 매니폴드 구조로 이루어짐으로써, 제3 측부(103)와 제4 측부(104)에서와 같은 매니폴드홀(100a)이 형성된 확장부분(100b)이 필요 없어서 매니폴드홀이 형성된 확장부분이 형성되지 않는 구조로 이루어짐에 따라, 제1 측부(101)의 끝단과 제2 측부(102)의 끝단 사이의 길이를 제3 측부(103)의 끝단과 제4 측부(104)의 끝단 사이의 길이보다 짧게 형성시켜서, 평면도 형상으로서 직사각형 구조를 취할 수 있다.

나아가, 상기 셀프레임(300)도 분리판(100)과 대응되게 외형으로서 평면도 형상이 직사각형 구조로 이루어질 수 있다. 이때 셀프레임(300)에는 분리판(100)의 매니폴드홀(100a)과 대응되는 프레임홀(300a)이 형성된다.

한편, 상기 셀(200)은 평판형 구조로서 음극판(220)이 분리판(100)의 일면 측에 배치되고, 음극판(220)보다 크기가 작은 양극판(210)이 음극판(220)의 테두리 내측에 배치되면서 음극판(220)에 의해 지지되는 구조로 이루어질 수 있다.

구체적으로, 셀(200)은 음극 지지체 방식의 평판형 셀(200)을 사용한다. 본 발명에서 셀(200)은 반드시 음극 지지체 방식의 셀을 사용해야 되는데, 이는 일반적으로 대부분의 고온수전해 셀 및 스택 제조사가 양극 지지체(NiO-YSZ의 혼합체) 셀을 사용하는 것과 다르다. 셀(200)의 양극판(210)을 지지하는 음극판(220)을, 고온수전해 된 분리판(100)에서 음극측돌기라인(110)이 형성된 일면 위에 위치시켜야, 셀(200)과 분리판(100) 사이에서 배출되는 산소가 그대로 스택 외부로 배출될 수 있다.

나아가, 상기 셀프레임(300)은 양극판(210)이 관통배치되는 중앙홀(300b)이 형성되고, 상기 중앙홀(300b)의 테두리에는 음극판(220)이 인입배치되는 테두리홈(300c)이 형성될 수 있다. 이와 같이 셀프레임(300)이 양극판(210) 측에서 셀(200)에 접촉됨으로써, 음극판(220) 아래 음극챔버가 밀봉됨으로써 수소와 산소가 서로 섞이지 않게 된다.

참고로 일례로서, 본 발명에서 셀(200)은 120mm×120mm 사이즈로 제작되고, 분리판(100)과 셀프레임(300)은 200mm×150mm 사이즈로 제작될 수 있다.

도 6은 도 4 또는 도 5의 리피팅유닛을 복수 개 적층한 고온수전해 스택을 나타낸 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 고온수전해 스택(S)은 리핑팅유닛(U)을 복수 개 적층하여 제작되는데, 이때 고온수전해 스택(S)의 전력 소모량과 수소의 필요 제조량을 반영하여 적층 수를 결정한다.

이와 같은 본 발명은 기존의 고체산화물 연료전지(SOFC) 기반의 스택과 달리 스택의 인렛배관과 아웃렛배관이 총 4개에서 2개로 줄었으며, 음극챔버가 외부와 연통되게 분리판(100)에서 두 개의 측부가 오픈 매니폴드 구조를 취함으로써 평면도 형상이 정사각형 구조에서 직사각형 구조로 변함에 따라, 일측 길이가 종래의 200mm에서 150mm로 줄었기 때문에 스택 전체의 부피가 줄어든다.

일반적인 30장 적층 스택의 높이가 상하부 엔드플레이트(End plate)를 포함 200mm인 것을 감안하면, 본 발명은 스택의 부피가 8 Liter에서 6 Liter로 25%로 크게 줄게 됨으로써, 컴팩트한 스택으로 변경됨에 따라 부피 대비 수소생산량을 향상시킬 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

100 : 분리판 100a : 매니폴드홀
100b : 확장부분 101 : 제1 측부
102 : 제2 측부 103 : 제3 측부
104 : 제4 측부 110 : 음극측돌기라인
120 : 양극측돌기라인 200 : 셀
210 : 양극판 220 : 음극판
300 : 셀프레임 300a : 프레임홀
300b : 중앙홀 300c : 테두리홈
401 : 스팀배관 402 : 스팀수소배관

Claims (7)

1. 리피팅유닛이 반복적층되며,
   상기 리피팅유닛은, 분리판; 상기 분리판에 적층되며 양극판과 음극판을 포함하는 셀; 및 상기 셀을 감싸면서 상기 분리판에 적층되는 셀프레임;을 포함하며,
   상기 분리판은 상기 음극판 사이에 형성된 음극챔버가 외부와 연통되도록, 서로 마주보는 제1 측부와 제2 측부가 오픈 매니폴드 구조로 이루어진 고온수전해 스택.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 분리판의 일면에는 상기 음극판 측으로 돌출된 음극측돌기라인이 형성되고, 상기 분리판은 상기 음극측돌기라인의 길이방향 양단부 측이 외부로 개방된 구조인 상기 오픈 매니폴드 구조로 이루어진 고온수전해 스택.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 분리판은 상기 양극판 사이에 형성된 양극챔버가 외부와 차단되면서 내부유동되도록, 서로 마주보는 제3 측부와 제4 측부가 인터널 매니폴드 구조로 이루어지며,
   상기 분리판의 타면에는 상기 양극판 측으로 돌출된 양극측돌기라인이 형성되고, 상기 분리판은 상기 양극측돌기라인의 길이방향 양단부 측에 위치된 확장부분에 매니폴드홀이 형성된 고온수전해 스택.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 분리판은,
   상기 음극측돌기라인의 길이방향에서의 상기 제1 측부의 끝단과 상기 제2 측부의 끝단 사이의 길이가, 상기 양극측돌기라인의 길이방향에서의 상기 제3 측부의 끝단과 상기 제4 측부의 끝단 사이의 길이보다 짧은 외형을 가지는 고온수전해 스택.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 셀프레임은,
   상기 분리판의 매니폴드홀과 대응되는 프레임홀이 형성되고, 상기 분리판과 대응되는 외형으로 이루어진 고온수전해 스택.
   
6. 제2항에 있어서,
   상기 셀은 평판형 구조로서 상기 음극판이 상기 분리판의 일면 측에 배치되고, 상기 음극판보다 크기가 작은 상기 양극판이 상기 음극판의 테두리 내측에 배치되면서 상기 음극판에 의해 지지되는 구조로 이루어진 고온수전해 스택.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 셀프레임은 상기 양극판이 관통배치되는 중앙홀이 형성되고, 상기 중앙홀의 테두리에는 상기 음극판이 인입배치되는 테두리홈이 형성된 고온수전해 스택.
   

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