WO2018034490A1 - 고체 산화물 연료전지 - Google Patents

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노태민
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Definitions

  • the present invention relates to a solid oxide fuel cell. More specifically, a passage through which fuel and air can enter and exit a sealant layer is formed, and a support portion is positioned on an inner wall of the passage, whereby flow in the sealant layer at a high temperature is achieved.
  • the present invention relates to a solid oxide fuel cell having a thin thickness and a light weight as the configuration is simplified by preventing the blockage of the passage and the window frame being omitted.
  • a fuel cell is a device that directly produces electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air. It is an environmentally friendly, energy efficient, high value-added energy source through technology development.
  • the solid oxide fuel cell, the third generation fuel cell does not require a complicated external reforming system as compared to other fuel cells, does not use precious metal electrode catalysts such as platinum, and does not cause corrosion problems due to liquid electrolyte.
  • precious metal electrode catalysts such as platinum
  • Various operational problems in the battery can be minimized, and the operation temperature can be maintained through proper insulation during high temperature operation, and various fuels can be used.
  • the solid oxide fuel cell includes a unit cell consisting of a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode, and a connecting material connecting the unit cells to each other.
  • the sealing material is a configuration that is most emphasized because the required conditions are different depending on the operating conditions and structure of the planar solid oxide fuel cell.
  • the basic conditions of the sealant required for the smooth operation of the solid oxide fuel cell are as follows. First, the sealant should be well adhered to other components of the solid oxide fuel cell which are in physical contact with each other. In particular, the seal should not be weakened even during the thermal cycle given during operation of the fuel cell. Secondly, the thermal expansion coefficient difference with other components is not so large that there should be no breakdown by thermal stress even if thermal cycle is given. Third, there should be no penetration into the porous electrode which comes into contact with the seal. Fourth, it must be a stable material that does not undergo chemical reactions with other components at the fuel cell operating temperature. Fifth, it must be possible to be used without chemical decomposition and evaporation under the two extreme oxygen partial pressure conditions of fuel and oxidizing gas. Finally, the electrical resistivity at the fuel cell operating temperature must be large to maintain electrical insulation.
  • glass or crystallized glass As a composition that satisfies the basic conditions of such a sealing material, glass or crystallized glass has been mainly researched and developed.
  • glass and crystallized glass have a disadvantage in that they are fluid at high temperatures and thus can block passages through which fuel and reactant gases are formed to flow in the sealant layer.
  • the sealing material may be formed of two or more compositions by including a material such as fiber or ceramic in the glass or crystallized glass composition constituting the sealing material in order to suppress the fluidity of the sealing material of the conventional solid oxide fuel cell.
  • a material such as fiber or ceramic in the glass or crystallized glass composition constituting the sealing material in order to suppress the fluidity of the sealing material of the conventional solid oxide fuel cell.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to include a sealant layer made of a single composition for increasing stability to long-term durability and chemical reactions and sealing the fuel cell by one compression. It is to provide a solid oxide fuel cell.
  • An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell in which a support is located on an inner wall of a passage formed in the sealant layer so as to omit the window frame and control the thickness of the sealant layer.
  • Solid oxide fuel cell comprises a unit cell; A sealant layer surrounding the unit cell; A plurality of interconnects positioned above and below the sealant layer, the plurality of interconnects forming one or more fuel manifolds and gas manifolds, wherein the sealant layer includes one or more fuel passages and gas passages formed therein; And a support supported on at least a portion of the inside of the gas passage.
  • the support portion is made of a ceramic having a high electrical resistivity.
  • the support is characterized in that it can extend in the upper and lower direction.
  • the support unit a fuel support located in the fuel passage; And a gas support part positioned on an inner wall of the gas passage, wherein the fuel support part and the gas support part have different shapes.
  • the fuel support is characterized in that the ring shape surrounding the inside of the fuel passage.
  • the gas support is characterized in that the '' 'shape surrounding the inside of the gas passage.
  • the sealant layer is formed of glass or crystallized glass.
  • the sealant layer is characterized in that the thickness is adjusted.
  • the interconnect comprises: an air electrode interconnect to which a reaction gas is supplied and a flow path corresponding to the size of the unit cell is formed; And an anode interconnect to which fuel is supplied and the unit cell has a size and a flow path formed therein.
  • the solid oxide fuel cell, the current collector between the sealant layer and the interconnect further comprises.
  • the sealant layer is made of a single composition, which increases the long-term durability and chemical stability of the fuel cell, and enables the fuel cell to be sealed only by pressurization during the sealing process, thereby simplifying the manufacturing process and economic effects. There is.
  • the support portion is located on the inner wall of the fuel passage and the gas passage formed in the sealant layer, thereby preventing the fuel passage and the gas passage from being blocked by the characteristic of the sealant layer having fluidity at a high temperature, and the processing of the unit cell is unnecessary. It works.
  • the window frame may be omitted, and the volume and weight of the solid oxide fuel cell may be reduced, and the number of unit cells stacked in one stack structure may be increased to form a high voltage stack structure.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a sealant layer and a support part according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a solid oxide fuel cell 100 according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view of a solid oxide fuel cell 100 according to an embodiment of the present invention.
  • a solid oxide fuel cell 100 according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the solid oxide fuel cell 100 is positioned on the unit cell 10, the sealant layer 20 surrounding the unit cell 10, the upper and lower portions of the sealant layer 20, and at least one fuel manifold 3. And a plurality of interconnects 40, 50, in which a gas manifold 4 is formed, wherein the sealant layer 20 is formed with one or more fuel passages 1 and gas passages 2, and a fuel passage 1 And a support 30 supported by at least a portion of the inside of the gas passage 2.
  • the unit cell 10 may be configured as a cathode support in which an anode serves as a support, and the electrolyte layer may have a size smaller or the same as that of the anode.
  • the cathode has a smaller size than the anode, in which the area of the anode is larger than that of the cathode, thereby minimizing the anode polarization resistance.
  • the anode support structure may have an electrolyte layer formed of a thin film having a thickness of 5 to 10 ⁇ m, thereby minimizing the sheet resistance of the electrolyte layer.
  • the solid oxide fuel cell including the anode support structure includes an electrolyte support and a cathode support structure. Can operate at lower temperatures.
  • the anode and the cathode are formed thick, there is an advantage that the mechanical strength of the solid oxide fuel cell 100 can be increased.
  • the sealant layer 20 generally serves as a binder in the fuel cell, and may also serve as a buffer to alleviate the shock given to the solid oxide fuel cell 100.
  • the sealant layer 20 generally serves as a binder in the fuel cell, and may also serve as a buffer to alleviate the shock given to the solid oxide fuel cell 100.
  • the internal frame and the external space to prevent fuel from leaking outside the fuel cell 100 and the window frame (or separation plate) to prevent the fuel and reactant gases from mixing with each other during operation of the fuel cell 100. Play a role.
  • the sealant layer 20 may be formed by wrapping the attention of the unit cell 10.
  • the shape surrounding the unit cell 10 is a form surrounding the four sides of the unit cell 10. The shock applied to (10) can be alleviated, and the unit cell 10 and the plurality of interconnects 40 and 50 can be sealed.
  • a passage through which fuel and a reactant gas may be formed may be formed in the sealant layer 20.
  • the sealant layer 20 may include at least one fuel passage 1 and a gas passage 2. ) May be formed.
  • the fuel passage 1 is positioned opposite to the left and right edges of the sealant layer 20, and the gas passage 2 ) May be located opposite the upper and lower edges of the sealant layer 20.
  • the fuel passage 1 may be positioned on the left side and two on the right side of the sealant layer 20.
  • the two fuel passages 1 may be positioned on the upper side of the sealant layer 20. Dog, two dogs can be located on the lower side.
  • the number, size and shape of the fuel passage 1 and the gas passage 2 according to the present invention are not limited thereto.
  • the fuel passage 1 may be formed to be spaced apart from a mounting groove (not shown) formed in the sealant layer 20 to seat the unit cell, the gas passage 2 is joined to both sides of the mounting groove Can be formed. As the gas passage 2 is formed to be connected to the mounting groove, the reaction gas supplied to the cathode interconnector 40 may move from the upper side to the lower side in the vertical direction.
  • the sealant layer 20 may be formed of glass or crystallized glass.
  • Sealant layer 20 should be made of a sealing joint and the adhesive material first, and also satisfies all of the physical properties such as thermal expansion coefficient, heat resistance.
  • glass or crystallized glass materials may be suitable.
  • the glass material may include any one or more of soda-lime silicates, alkali silicates, alkaline-earth silicate, and alkali borosilicate glass.
  • any of SrO-La2O3 -Al2O3 -B2O3 -SiO2, BaO-Al2O3 -SiO2 -B2O3, MgO-Al2O3 -P2O5, BaO-Al2O3 -SiO2 -ZnO and CaO-TiO2 -SiO2 It may include one or more.
  • the sealant layer 20 is formed of a single composition such as glass or crystallized glass, there is an effect of increasing the long-term durability and chemical stability of the fuel cell.
  • the sealing of the fuel cell 100 is possible only by pressurization during the sealing process of the solid oxide fuel cell 100, thereby simplifying the manufacturing process and having an economic effect.
  • the support part 30 is located inside the fuel passage 1 and the gas passage 2 formed in the sealant layer 20, and is formed in the form of the sealant layer 20 due to a glass or crystallized glass material having viscosity and flowability at a high temperature. May be made of a ceramic having a high electrical resistivity to prevent deformation or blockage of the fuel passage 1 and the gas passage 2.
  • ceramics with high electrical resistivity include silicon nitride ceramics, silicon carbide ceramics, sialon ceramics, alumina ceramics, zirconia ceramics, bio-ceramic, titania ceramics, BaTiO 3 ceramics, SrTiO 3 ceramics, Note that one or more of silica ceramic, cordierite ceramic, mica (mica) ceramic, SiO ceramic, and SiAu 4 ceramic may be included.
  • the support part 30 may include a fuel support part 31 located inside the fuel passage 1 and a gas support part 32 located on the inner wall of the gas passage 2, and the fuel support part 31 and the gas support part.
  • (32) may differ in shape from each other. More specifically, the fuel support 31 may be formed in a ring shape by surrounding the inside of the fuel passage 1, and the gas support 32 may be formed as a 'c' by surrounding the inside of the gas passage 2. Can be formed.
  • the gas support 32 is not limited to the letter 'c' as long as it surrounds the inside of the gas passage 2.
  • the gas passage 2 has a shape in which one inner wall is in contact with the seating groove so that the gas support 32 and the fuel support 31 positioned inside the gas passage 2 may have different shapes.
  • the number, size, and shape of the fuel support part 31 and the gas support part 32 according to the present invention are not limited thereto.
  • the support unit 30 may prevent the fuel and the reactant gas from mixing with each other during operation of the fuel cell 100, and may serve as a window frame that prevents the fuel or the reactant gas from penetrating into the unit cell 10. 100) there is an effect that the window frame can be omitted during configuration. Accordingly, the configuration of the fuel cell 100 is simplified, the volume and weight of the solid oxide fuel cell 100 are reduced, and the number of unit cells stacked in one stack structure is increased, thereby forming a high voltage stack structure. .
  • the support 30 may be extended in the upper and lower directions may be adjustable in thickness. More specifically, since the support 30 has a low deformation rate at a high temperature, by adjusting the height of the support 30, the thickness of the sealant layer 20 supported by the support 20 can be adjusted, and the sealant The amount of the sealing material constituting the layer 20 may have an effect of adjusting.
  • the thickness of the support part 30 becomes thin, the amount of sealing material used is reduced, and the weight of the solid oxide fuel cell 100 is lightened due to the reduction of the composition of the fuel cell 100 and the amount of sealing material used, thereby increasing energy efficiency. There is an advantage to this.
  • the plurality of interconnects 40 and 50 are supplied with a reaction gas, and are supplied with a cathode interconnect 40 and a fuel in which a flow path corresponding to the size of the unit cell 10 is formed, and the size and flow path of the unit cell 10 are formed.
  • the anode interconnect 50 can be included.
  • the fuel manifold 3 and the gas manifold 4 formed in the cathode interconnect 40 and the anode interconnect 50 correspond to the fuel passage 1 and the gas passage 2 formed in the sealant layer 20. Note that it may be formed at the location.
  • the cathode interconnect 40 and the anode interconnect 50 serve to electrically connect the plurality of stacked unit cells 10 when the plurality of solid oxide fuel cells 100 are stacked to form a stack structure.
  • a flow path may be formed so that the two kinds of gases supplied to the anode and the cathode may be uniformly supplied to the unit cell 10 without being mixed.
  • the flow path formed in the cathode interconnect 40 and the anode interconnect 50 may be formed on at least one of the upper and lower surfaces of the cathode and anode interconnects 40 and 50 as a concave-convex structure. Further, it should be noted that the flow path formed in the cathode interconnect 40 and the flow path formed in the anode interconnect 50 are formed in the vertical direction and do not communicate with each other. Air may be supplied through a flow path formed in the cathode interconnect 40, and fuel gas may be supplied through a flow path formed in the anode interconnect 50.
  • the solid oxide fuel cell 100 may further include a current collector (not shown) between the sealant layer 20 and the interconnect.
  • a current collector (not shown) between the sealant layer 20 and the interconnect.
  • an anode current collector may be positioned between the sealant layer 20 and the cathode interconnect 40, and an anode current collector may be located between the sealant layer 20 and the anode interconnect 50.
  • the current collector generally serves to help the anode or cathode to be in uniform electrical contact with the cathode and anode interconnect 40, 50.
  • a porous metal plate, a metal mesh, a conductive ceramic paste, or the like is used, and a nickel foam is mainly used as the anode current collector.

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Abstract

본 발명은 고체 산화물 연료전지에 관한 기술로써, 보다 상세하게는, 실란트층에 연료와 공기가 출입할 수 있는 통로가 형성되고, 통로의 내벽면에 가이드가 위치됨으로써, 고온에서 실란트층에 유동이 생겨 통로가 막히는 것을 방지할 수 있고, 윈도우 프레임이 생략 가능하여 구성이 단순해 짐에 따라 두께가 얇고 가벼운 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다.

Description

고체 산화물 연료전지
본 명세서는 2016년 8월 16일 한국 특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2016-0103733호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 고체 산화물 연료전지에 관한 기술로써, 보다 상세하게는, 실란트층에 연료와 공기가 출입할 수 있는 통로가 형성되고, 통로의 내벽면에 지지부가 위치됨으로써, 고온에서 실란트층에 유동이 생겨 통로가 막히는 것을 방지할 수 있고, 윈도우 프레임이 생략 가능하여 구성이 단순해 짐에 따라 두께가 얇고 가벼운 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 공기 중 산소의 전기화학 반응을 통해 직접 전기를 생산하는 장치로서, 친환경적이며 에너지 효율이 높고 기술개발을 통한 부가가치가 높은 에너지원이다. 특히, 3세대 연료전지인 고체 산화물 연료전지는 다른 연료전지에 비해 복잡한 외부 개질 시스템이 필요 없으며, 백금 등의 귀금속 전극촉매를 사용하지 않고, 액상전해질에 의한 부식문제가 발생하지 않는 등 저온형 연료전지에서 발생되는 여러 가지 운전상의 문제점을 최소화시킬 수 있다는 점과 고온 운전시 적절한 단열을 통해 운전온도 유지가 가능할 뿐 아니라 다양한 연료를 사용할 수 있다는 장점을 갖고 있다.
고체 산화물 연료전지의 구성은 연료극, 전해질, 공기극으로 이루어진 단위셀과 단위셀을 서로 연결하는 연결재로 이루어져 있다. 그 중, 실링재는 평판형 고체 산화물 연료전지의 작동조건과 구조에 따라 요구되어지는 조건이 상이함으로 가장 강조되는 구성이다.
고체 산화물 연료전지의 원활한 작동을 위해 요구되어지는 밀봉재의 기본적인 조건들을 정리해 보면 다음과 같다. 먼저 밀봉재는 물리적으로 접하게 되는 고체 산화물 연료전지의 다른 구성요소 등과 접착이 잘 이루어져야 하며 특히 연료전지 작동 중 주어지는 열 사이클에도 접착부위가 약화되지 않아야 한다. 두번째로 다른 구성성분과의 열팽창계수차가 크지 않아 열 사이클이 주어지더라도 열응력에 의해 파괴가 없어야 한다. 세번째는 밀봉재와 접하게 되는 다공성 전극으로의 침투가 없어야 한다. 네번째는 연료전지 작동온도에서 다른 구성성분들과의 화학반응이 일어나지 않는 안정한 물질이어야 한다. 다섯번째는 연료와 산화가스의 두 극단적인 산소분압 조건에서 화학적으로 분해, 증발되지 않고 사용될 수 있어야 한다. 마지막으로 연료전지 작동온도에서 전기 비저항이 커 전기적 절연을 유지할 수 있어야 한다.
상기와 같은 밀봉재의 기본적인 조건들을 만족하는 조성물로는 유리 또는 결정화 유리가 주로 연구 및 개발되어오고 있다. 그러나, 유리 및 결정화 유리는 고온에서 유동성이 있어 실란트층에 연료 및 반응 가스가 유동을 위해 형성된 통로를 막을 수 있는 단점이 있다.
이에 따라, 종래 고체 산화물 연료전지에 구성되는 실링재의 유동성을 억제하기 위해 실링재를 구성하는 유리 또는 결정화 유리 조성물에 섬유 또는 세라믹 등과 같은 물질을 포함시킴으로써 실링재가 2종 이상의 조성물로 형성될 수 있는데, 실링재가 2종 이상의 물질로 이루어지는 경우 고체 산화물 연료전지의 작동에 의해 고온에 노출되게 되면 장기 내구성이 감소되고 기계적 파손 및 화학적 반응 등에 의해 불안정한 문제점이 있다.
또한, 두 개 이상의 실링재 사이 세라믹 펠트 또는 섬유 펠트를 위치시켜 고체 산화물 연료전지의 강도를 향상시키고 구조적인 안전성을 확보할 수 있으나, 실링과정에서의 가압 이외에 가열, 운전, 유지, 냉각 및 제품화 등 연료전지의 모든 제조 과정에서 부가적으로 외부 가압이 필요한 문제점이 있다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 장기 내구성 및 화학적 반응에 안정성을 증가시키고 한번의 압축에 의해 연료전지를 밀봉하기 위해, 단일 조성물로 이루어진 실란트층을 포함하는 고체 산화물 연료전지를 제공하는 것이다.
그리고, 본 발명의 목적은, 윈도우 프레임을 생략하고, 실란트층의 두께를 제어하기 위해 실란트층에 형성된 통로 내벽에 지지부가 위치된 고체 산화물 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 고체 산화물 연료전지는 단위셀; 상기 단위셀의 주위를 감싸는 실란트층; 상기 실란트층의 상부 및 하부에 위치되고, 하나 이상의 연료 매니폴드 및 가스 매니폴드가 형성되는 복수의 인터커넥트;를 포함하고, 상기 실란트층은 하나 이상의 연료 통로 및 가스 통로가 형성되고, 상기 연료 통로 및 가스 통로 내측의 적어도 일부에 지지되는 지지부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 지지부는, 전기 비저항이 높은 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 세라믹은, 질화규소 세라믹, 탄화규소 세라믹, 사이알론 세라믹, 알루미나 세라믹(Alumina Ceramics), 지르코니아 세라믹(Zirconia Ceramics), 생체 세라믹, 티타니아 세라믹(Titania Ceramics), BaTiO3 세라믹, SrTiO3 세라믹, 실리카 세라믹, 코디어라이트 세라믹, 마이카(운모) 세라믹, SiO 세라믹, Siau4 세라믹 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 지지부는, 상측 및 하측 방향으로 연장이 가능한 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 지지부는, 상기 연료 통로 내부에 위치되는 연료 지지부; 및 상기 가스 통로 내벽에 위치되는 가스 지지부;를 포함하고, 상기 연료 지지부와 상기 가스 지지부는 모양이 서로 상이한 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 연료 지지부는, 상기 연료 통로 내측을 둘러싸는 고리 형태인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 가스 지지부는, 상기 가스 통로의 내측을 둘러싸는 ‘ㄷ’자 형태인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 실란트층은, 유리 또는 결정화 유리로 형성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 실란트층은, 두께가 조절되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 인터커넥트는, 반응 가스가 공급되고, 상기 단위 셀의 크기와 대응되는 유로가 형성된 공기극 인터커넥트; 및 연료가 공급되고, 상기 단위 셀의 크기와 유로가 형성된 연료극 인터커넥트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 고체 산화물 연료전지는, 상기 실란트층과 상기 인터커넥트 사이 집전체;가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 실란트층이 단일 조성물로 이루어짐으로써, 연료전지의 장기 내구성 및 화학적 안정성을 증가시키고, 실링과정에서의 가압으로만 연료전지의 밀봉이 가능하여 제조과정을 단순화할 수 있고 경제적인 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 실란트층에 형성된 연료 통로 및 가스 통로 내벽에 지지부가 위치됨으로써, 고온에서 유동성을 갖는 실란트층의 특성으로 연료 통로 및 가스 통로가 막히는 것을 방지하고, 단위셀의 가공이 필요하지 않은 효과가 있다.
또한, 윈도우 프레임 생략이 가능하고, 고체 산화물 연료전지의 부피 및 무게가 감소되고 하나의 스택구조에 적층되는 단위셀의 수가 증가되어 고전압 스택구조를 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실란트층 및 지지부의 단면도이다.
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>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지(100)의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지(100)의 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지(100)를 구체적으로 설명하기로 한다.
고체 산화물 연료전지(100)는 단위셀(10), 단위셀(10)의 주위를 감싸는 실란트층(20), 실란트층(20)의 상부 및 하부에 위치되고, 하나 이상의 연료 매니폴드(3) 및 가스 매니폴드(4)가 형성되는 복수의 인터커넥트(40, 50)를 포함하고, 실란트층(20)은 하나 이상의 연료 통로(1) 및 가스 통로(2)가 형성되고, 연료 통로(1) 및 가스 통로(2) 내측의 적어도 일부에 지지되는 지지부(30)를 포함할 수 있다.
단위셀(10)은 연료극이 지지체 역할을 하는 연료극 지지체식으로 구성되고, 전해질층이 연료극보다 크기가 작거나 동일할 수 있다. 또한, 공기극은 연료극보다 작은 크기로 구성되는데, 이 때, 연료극의 면적이 공기극의 면적보다 넓어 연료극 분극 저항을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 연료극 지지체 구조는 전해질층이 5 내지 10㎛ 두께의 박막으로 형성될 수 있어 전해질층의 면저항을 최소화 할 수 있고, 이에 따라 연료극 지지체 구조를 포함하는 고체 산화물 연료전지는 전해질 지지체 및 공기극 지지체 구조 보다 낮은 온도에서 작동할 수 있다. 또한, 연료극 및 공기극이 두껍게 형성됨으로써, 고체 산화물 연료전지(100)의 기계적 강도가 증가될 수 있는 장점이 있다.
실란트층(20)은 일반적으로 연료전지에서 결합제 역할을 하고, 고체 산화물 연료전지(100)에 주어지는 충격을 완화하는 완충제로써의 역할도 동시에 수행할 수 있다. 또한, 연료가 연료전지(100) 외부로 누출되지 않도록 내부공간과 외부공간을 차단하는 기능과 윈도우 프레임(혹은 분리판)과 결합하여 연료전지(100) 작동 중 연료와 반응 가스가 서로 섞이지 않도록 하는 역할을 한다.
또한, 실란트층(20)은 단위셀(10)의 주의를 감쌈으로써 형성될 수 있는데, 단위셀(10)의 주위를 감싸는 형태는 단위셀(10)의 네 측면을 둘러싸는 형태로, 단위셀(10)에 가해지는 충격을 완화할 수 있고, 단위셀(10)과 복수의 인터커넥트(40, 50)를 밀봉시켜 주는 역할을 할 수 있다.
그리고, 실란트층(20)에는 연료와 반응 가스가 유입될 수 있는 통로가 형성될 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 실란트층(20)은 하나 이상의 연료 통로(1)와 가스 통로(2)가 형성될 수 있다.
예를 들어, 연료 통로(1) 및 가스 통로(2)가 각각 두 개씩 형성될 경우, 연료 통로(1)는 실란트층(20)의 좌/우 양쪽 가장자리에 대향되게 위치되고, 가스 통로(2)는 실란트층(20)의 상/하 양쪽 가장자리에 대향되게 위치될 수 있다. 나아가, 연료 통로(1)가 네 개 형성될 경우, 실란트층(20)의 좌측에 두 개, 우측에 두 개가 위치될 수 있고, 가스 통로(2)의 경우 실란트층(20)의 상측에 두 개, 하측에 두 개가 위치될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 연료 통로(1) 및 가스 통로(2)의 개수, 크기 및 모양은 이에 한정되지 않는 것을 유의한다.
아울러, 연료 통로(1)는 단위셀을 안착시키기 위해 실란트층(20)에 형성된 안착홈(도시되지 않음)과 이격되어 형성될 수 있고, 가스 통로(2)는 안착홈의 양 측면에 접합되어 형성될 수 있다. 가스 통로(2)가 안착홈과 이어져서 형성됨으로써, 공기극 인터커넥터(40)에 공급되는 반응 가스가 상측에서 하측으로 수직 방향으로 이동될 수 있다.
또한, 실란트층(20)은 유리 또는 결정화 유리로 형성될 수 있다. 실란트층(20)은 일차적으로 피접착재와 밀봉접합이 이루어져야하고 또한 열팽창계수, 내열성 등 물성을 모두 만족해야 한다. 따라서, 유리 또는 결정화 유리 재질이 적합할 수 있다. 유리 재질로는 soda-lime silicates, alkali silicates, alkaline-earth silicate 및 alkali borosilicate 유리 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 그리고, 결정화 유리계로는 SrO-La2O3 -Al2O3 -B2O3 -SiO2 계, BaO-Al2O3 -SiO2 -B2O3 계, MgO-Al2O3 -P2O5 계, BaO-Al2O3 -SiO2 -ZnO계 및 CaO-TiO2 -SiO2 계 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
실란트층(20)이 유리 또는 결정화 유리와 같이 단일 조성물로 형성됨으로써, 연료전지의 장기 내구성 및 화학적 안정성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 고체 산화물 연료전지(100)의 제조 과정 중 실링 과정에서의 가압으로만 연료전지(100)의 밀봉이 가능하여 제조과정을 단순화할 수 있고 경제적인 효과가 있다.
지지부(30)는 실란트층(20)에 형성된 연료 통로(1) 및 가스 통로(2) 내측에 위치하는 것으로, 고온에서 점성 및 유동성을 갖는 유리 또는 결정화 유리 재질로 인해 실란트층(20)의 형태가 변형되거나 연료 통로(1) 및 가스 통로(2)가 막히는 것을 방지하기 위한 것으로 전기 비저항이 높은 세라믹으로 이루어질 수 있다.
나아가, 전기 비저항이 높은 세라믹으로는 질화규소 세라믹, 탄화규소 세라믹, 사이알론 세라믹, 알루미나 세라믹(Alumina Ceramics), 지르코니아 세라믹(Zirconia Ceramics), 생체 세라믹, 티타니아 세라믹(Titania Ceramics), BaTiO3 세라믹, SrTiO3 세라믹, 실리카 세라믹, 코디어라이트 세라믹, 마이카(운모) 세라믹, SiO 세라믹, SiAu4 세라믹 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있는 것을 유의한다.
또한, 지지부(30)는 연료 통로(1) 내부에 위치되는 연료 지지부(31) 및 가스 통로(2) 내벽에 위치되는 가스 지지부(32)를 포함할 수 있고, 연료 지지부(31)와 가스 지지부(32)는 모양이 서로 상이할 수 있는 것을 유의한다. 좀 더 상세하게는, 연료 지지부(31)는 연료 통로(1) 내측을 둘러쌈으로써 고리 형태로 형성될 수 있고, 가스 지지부(32)는 가스 통로(2) 내측을 둘러쌈으로써 ‘ㄷ’자로 형성될 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 지지부(30)가 결합된 실란트층(20)의 단면도이다. 가스 지지부(32)는 가스 통로(2) 내측을 둘러싸고 있는 모양이라면 ‘ㄷ’자에 한정되지 않는다. 가스 통로(2)는 안착홈과 접촉되어 한 쪽 내벽이 뚫린 모양으로 이루어짐으로써 가스 통로(2) 내측에 위치되는 가스 지지부(32)와 연료 지지부(31)는 상이한 모양을 가질 수 있다.
그러나, 본 발명에 따른 연료 지지부(31) 및 가스 지지부(32)의 개수, 크기 및 모양은 이에 한정되지 않는 것을 유의한다.
지지부(30)는 연료전지(100) 작동 중 연료와 반응 가스가 서로 섞이지 않도록하고, 연료 또는 반응 가스가 단위셀(10) 내부로 침투하는 것을 방지하는 윈도우 프레임의 역할을 할 수 있으므로 연료전지(100) 구성 중 윈도우 프레임이 생략가능한 효과가 있다. 따라서, 연료전지(100)의 구성이 간단해지고 고체 산화물 연료전지(100)의 부피 및 무게가 감소되고 하나의 스택구조에 적층되는 단위셀의 수가 증가되어 고전압 스택구조를 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 고온에서 유동성을 갖는 실란트층(20)의 특성으로 연료 통로 및 가스 통로가 막히는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 연료전지(100)에 연료 및 반응 가스의 유동을 위해 단위셀(10)에 관통홀을 형성하는 등의 추가 가공이 필요하지 않아 기존의 제조 장치를 사용할 수 있어 경제적인 효과가 있다.
아울러, 지지부(30)는 상측 및 하측 방향으로 연장이 가능하여 두께 조절이 가능할 수 있다. 좀 더 상세하게는, 지지부(30)는 고온에서 형태의 변형률이 낮기 때문에 지지부(30)의 높이를 조절함으로써, 지지부(20)가 지지하는 실란트층(20)의 두께가 조절될 수 있고, 실란트층(20)을 구성하는 실링재의 사용량이 조절되는 효과가 있을 수 있다.
즉, 지지부(30)의 두께가 얇아짐으로써, 실링재의 사용량이 감소되고, 연료전지(100)의 구성물 감소 및 실링재 사용량 감소로 인해 고체 산화물 연료전지(100)의 무게가 가벼워져 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
복수의 인터커넥트(40, 50)는 반응 가스가 공급되고, 단위셀(10)의 크기와 대응되는 유로가 형성된 공기극 인터커넥트(40) 및 연료가 공급되고, 단위셀(10)의 크기와 유로가 형성된 연료극 인터커넥트(50)를 포함할 수 있다. 또한, 공기극 인터커넥트(40) 및 연료극 인터커넥트(50)에 형성된 연료 매니폴드(3) 및 가스 매니폴드(4)는 실란트층(20)에 형성된 연료 통로(1) 및 가스 통로(2)와 대응되는 위치에 형성될 수 있는 것을 유의한다.
또한, 공기극 인터커넥트(40) 및 연료극 인터커넥트(50)는 복수개의 고체 산화물 연료전지(100)가 적층되어 스택 구조가 형성될 경우, 적층된 복수개의 단위셀(10)들을 전기적으로 연결해 주는 역할을 함과 동시에 연료극과 공기극에 공급되는 두 종류의 가스가 혼합되지 않고 단위셀(10)에 균일하게 공급될 수 있도록 유로가 형성될 수 있다.
공기극 인터커넥트(40) 및 연료극 인터커넥트(50)에 형성된 유로는 요철 구조로써 공기극 및 연료극 인터커넥트(40, 50) 상면 및 하면 중 어느 하나 이상에 형성될 수 있다. 나아가, 공기극 인터커넥트(40)에 형성된 유로와 연료극 인터커넥트(50)에 형성된 유로는 수직한 방향으로 형성되어 서로 연통되지 않는 것에 유의한다. 그리고, 공기극 인터커넥트(40)에 형성된 유로를 통해 공기가 공급되고, 연료극 인터커넥트(50)에 형성된 유로를 통해 연료 가스가 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지(100)는 실란트층(20)과 인터커넥트 사이 집전체(도시되지 않음)가 더 포함될 수 있다. 상세하게는 실란트층(20)과 공기극 인터커넥트(40) 사이 공기극 집전체가 위치되고, 실란트층(20)과 연료극 인터커넥트(50) 사이 연료극 집전체가 위치될 수 있다.
집전체는 일반적으로 연료극 또는 공기극이 공기극 및 연료극 인터커넥트(40, 50)와 전기적으로 균일하게 접촉할 수 있게 도와주는 역할을 한다. 또한, 공기극 집전체는 다공성의 금속판이나, 금속 메쉬, 전도성 세라믹 페이스트 등이 사용되고, 연료극 집전체는 니켈 폼(Ni foam)이 주로 사용되고 있다.
공기극 및 연료극 집전체는 기존의 공지된 기술을 사용하기 때문에 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

Claims (10)

  1. 단위셀;
    상기 단위셀의 주위를 감싸는 실란트층;
    상기 실란트층의 상부 및 하부에 위치되고, 하나 이상의 연료 매니폴드 및 가스 매니폴드가 형성되는 복수의 인터커넥트;를 포함하고,
    상기 실란트층은 하나 이상의 연료 통로 및 가스 통로가 형성되고, 상기 연료 통로 및 상기 가스 통로 내측의 적어도 일부에 지지되는 지지부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    고체 산화물 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지부는,
    전기 비저항이 높은 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 세라믹은,
    질화규소 세라믹, 탄화규소 세라믹, 사이알론 세라믹, 알루미나 세라믹(Alumina Ceramics), 지르코니아 세라믹(Zirconia Ceramics), 생체 세라믹, 티타니아 세라믹(Titania Ceramics), BaTiO3 세라믹, SrTiO3 세라믹, 실리카 세라믹, 코디어라이트 세라믹, 마이카(운모) 세라믹, SiO 세라믹, SiAu4 세라믹 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    고체 산화물 연료전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지지부는,
    상측 및 하측 방향으로 연장이 가능한 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지지부는,
    상기 연료 통로 내부에 위치되는 연료 지지부; 및
    상기 가스 통로 내벽에 위치되는 가스 지지부;를 포함하고,
    상기 연료 지지부와 상기 가스 지지부는 모양이 서로 상이한 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료 지지부는,
    상기 연료 통로 내측을 둘러싸는 고리 형태인 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 가스 지지부는,
    상기 가스 통로의 내측을 둘러싸는 ‘ㄷ’자 형태인 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 실란트층은,
    유리 또는 결정화 유리로 형성된 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 인터커넥트는,
    반응 가스가 공급되고, 상기 단위 셀의 크기와 대응되는 유로가 형성된 공기극 인터커넥트; 및
    연료가 공급되고, 상기 단위 셀의 크기와 유로가 형성된 연료극 인터커넥트;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    고체 산화물 연료전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고체 산화물 연료전지는,
    상기 실란트층과 상기 인터커넥트 사이 집전체;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는,
    고체 산화물 연료전지.
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