KR101440914B1

KR101440914B1 - 고온 평관형 고체산화물 연료전지 스택

Info

Publication number: KR101440914B1
Application number: KR1020120139011A
Authority: KR
Inventors: 허준행; 김종기; 박승환; 이석배
Original assignee: 에스티엑스중공업 주식회사
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2014-09-17
Also published as: KR20140071078A

Abstract

본 발명은 다수의 연료전지 셀을 수평 방향을 따라 적재하여 무게 중심을 낮춤과 아울러 U자형 유로를 통해 공기를 연료전지 셀에 균일하게 분배하여 출력을 향상시킬 수 있도록 한 고온 평관형 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 고온 평관형 고체산화물 연료전지 스택은, 공기 유입구(19)와 배기가스 출구(20)가 형성된 외부 케이스(11)와; 상기 외부 케이스(11) 내에 수평 방향을 따라 적재되며 다수의 연료 이송구멍(10')이 형성되어 상기 연료 이송구멍(10')을 통해 공급된 연료의 화학 반응을 이용하여 전기를 생산하는 다수 개의 연료전지 셀(10)과; 양측에 상기 연료전지 셀(10)이 각각 설치되어 상기 연료 이송구멍(10')을 통해 연료를 공급하는 연료 공급용 매니폴드(15)와; 상기 공기 유입구(19)를 통해 유입된 공기의 유동통로(21)와 상기 연료전지 셀(10)에서 반응을 마친 배기가스가 유동하는 유동통로(22)를 구획하며 상기 배기가스 출구(20)에 연결된 내부 케이스(13)와; 상기 연료전지 셀(10)의 끝단 부근에 설치되어 외부로부터 공급된 연료를 개질하여 상기 연료 공급용 매니폴드(15)로 공급하는 개질기(18)와; 나선 형상의 튜브로 이루어지며 상기 개질기(18)에 스팀을 공급하는 스팀 발생기(12);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고온 평관형 고체산화물 연료전지 스택{Flat Tubular Solid Oxide Fuel Cell Stack}

본 발명은 다수의 연료전지 셀이 구비된 평관형 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것으로서, 특히 다수의 연료전지 셀을 수평 방향을 따라 적재하여 무게 중심을 낮춤과 아울러 U자형 유로를 통해 공기를 연료전지 셀에 균일하게 분배하여 출력을 향상시킬 수 있도록 한 고온 평관형 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것이다.

연료전지(Fuel Cell)란, 산화 반응에 따라 발생하는 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지를 의미한다. 이러한 연료전지 기술은 화석연료를 사용하지 않고 수소나 산소와 같이 지구상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기에너지를 발생시키게 되므로, 친환경적 미래형 에너지 기술에 해당한다.

연료전지 스택은 다수의 연료전지 셀로 이루어진 것으로, 음극(Cathode)에 산소가 공급되고 양극(Anode)에 수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응 형태로 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 및 물이 발생하도록 하며, 공해를 유발하지 않으면서도 고효율로 전기에너지를 생산할 수 있다.

이와 같이 직접적인 에너지 전환이 가능한 연료전지 스택은 종래 열기관에서 한계로 작용하는 카르노 사이클(Carnot Cycle)의 제한으로부터 자유롭기 때문에 40% 이상의 효율을 올릴 수 있으며, 반응의 결과물로서 배출되는 물질이 물뿐이므로 공해의 우려가 없을 뿐만 아니라, 종래 열기관과는 달리 기계적으로 운동하는 부분이 불필요하기 때문에 소형화가 가능하고 소음이 없는 등 다양한 장점을 구비하고 있다. 이에 따라 연료전지에 관련된 각종 기술 및 연구가 활발하게 진행되고 있다.

한편, 연료전지 스택은 그 전해질 종류에 따라 다양하게 분류되고 있으며, 그 중에서도 인산 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융 탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell), 알칼리 연료전지(AFC, Alkaline Fuel Cell) 등, 여러 종류 정도가 실용화되었거나 계획 중에 있다.

이러한 연료전지들은 출력범위와 사용 용도 등이 매우 다양하며, 연료전지의 수요처에서는 목적에 따라 알맞은 연료전지를 선택하여 사용하고 있다. 특히 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)는 상대적으로 전해질의 위치제어가 쉽고, 전해질의 위치가 고정되어 있어서 전해질 고갈의 위험성이 없으며, 부식성이 약하여 소재의 수명이 길다는 장점으로 인하여 분산 발전용, 상업용 및 가정용으로서 각광을 받고 있다

상기한 고체산화물 연료전지는 양극에 수소가 공급되고 음극에는 수소가 공급될 때 화학 반응을 일으켜 전기를 생산하게 되며, 다음의 화학식 1과 같이 반응하게 된다.

상기한 고체산화물 연료전지는 단일 셀의 형태로도 사용되지만, 보통 출력을 높이기 위하여 복수개가 적층된 형태의 스택형으로 제조되는 것이 일반적이다. 이와 같이 복수개의 평관형 연료전지 셀이 적층된 스택형의 경우, 각각의 연료전지 셀 사이에 공기를 공급하면서도, 통전되도록 하여야 한다. 하지만 연료전지 셀 사이로 공기를 원활하게 공급하기 위해서는 연료전지 셀 사이에 빈 공간이 형성되어야 하고, 그로 인해 연료전지 셀 사이의 통전을 위하여 접촉되는 면적은 감소하게 되어, 공기 공급과 통전 면적을 양립시키기가 쉽지 않은 문제점이 있다.

특히, 연료전지 셀이 넓은 면적으로 형성되는 경우에는 그 표면이 고르지 않거나 휘어지는 경우가 빈번하게 발생하고, 이로 인해 통전을 위한 접촉 면적이 더욱 감소하여 출력이 줄어들게 된다.

이에 따라 연료전지 셀 사이로 원활하게 공기를 공급하면서도, 충분한 통전이 이루어지도록 한 평관형 고체산화물 연료전지 스택이 대한민국 특허 공개 제10-2011-0112512호로 개시되어 있다. 그리고, 평관형 연료전지 스택들이 일본 특허 공개 제2003-282101호와, 일본 특허 공개 제2007-035498호 및 일본 특허 공개 제2008-135195호에 각각 개시되어 있다.

그러나, 상기한 통상의 평관형 고체산화물 연료전지 스택은 연료전지 셀이 수직으로 적층됨에 따라 무게 중심이 높아 불안정하고 공기가 각 연료전지 셀이 고르게 분배되지 않아 출력을 높이는데 한계가 있는 문제점이 있다.

JP

2003-282101

A

JP

2007-035498

A

JP

2008-135195

A

KR

10-2011-0022907

A

KR

10-2011-0112512

A

본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 연료전지 셀을 수직 방향으로 적층하지 않고 수평 방향으로 적재함으로써 연료전지 스택의 높이와 무게 중심을 낮춤으로써 안정성을 높임과 아울러 연료전지 스택의 상부 공간을 활용할 수 있는 고온 평관형 고체산화물 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.

또, 본 발명은 공기가 U자형 유로를 통해 유동하도록 함으로써 공기를 각 연료전지 셀에 균일하게 분배하여 출력을 향상시킴과 아울러 출력 향상에 따른 제품의 소형화가 가능한 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택을 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 공기 유입구와 배기가스 출구가 형성된 외부 케이스와; 상기 외부 케이스 내에 수평 방향을 따라 적재되며 다수의 연료 이송구멍이 형성되어 상기 연료 이송구멍을 통해 공급된 연료의 화학 반응을 이용하여 전기를 생산하는 다수 개의 연료전지 셀과; 양측에 상기 연료전지 셀이 각각 설치되어 상기 연료 이송구멍을 통해 연료를 공급하는 연료 공급용 매니폴드와; 상기 공기 유입구를 통해 유입된 공기의 유동통로와 상기 연료전지 셀에서 반응을 마친 배기가스가 유동하는 유동통로를 구획하며 상기 배기가스 출구에 연결된 내부 케이스와; 상기 연료전지 셀의 끝단 부근에 설치되어 외부로부터 공급된 연료를 개질하여 상기 연료 공급용 매니폴드로 공급하는 개질기와; 나선 형상의 튜브로 이루어지며 상기 개질기에 스팀을 공급하는 스팀 발생기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택에 따르면, 상기 연료전지 셀의 중간 부분에 격벽이 설치되어 상기 공기 유입구를 통해 유입된 공기가 U자형 유로를 따라 유동하도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택에 따르면, 상기 격벽은 셀 삽입홈이 일정 간격으로 설치된 빗살 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택에 따르면, 상기 개질기는 삼각 구조로 형성되며 상기 개질기의 하부 공간이 상기 연료전지 셀에서 미반응된 연료가 연소되는 후연소 공간으로 사용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택에 따르면, 상기 후연소 공간의 배출가스는 상기 개질기 및 스팀 발생기를 가열함과 아울러 외부의 유입공기를 가열한 후 상기 배기가스 출구를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택에 따르면, 상기 개질기에 설치되는 열교환 핀이 상기 후연소 공간의 배출가스가 유동하는 배기가스 유로 부분으로 돌출되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택에 따르면, 상기 연료전지 셀들 사이의 공간에 공기가 유동하도록 속이 빈 튜브 형상의 연결재가 다수 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택은 연료전지 셀이 수평 방향을 따라 적재되어 있으므로 전체 시스템의 높이를 낮출 수 있음은 물론 저중심 설계에 따라 안정성이 향상되고 시스템의 상부 공간을 다용도로 활용할 수 있게 되는 효과가 있다.

또, 본 발명의 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택에 따르면, 격벽에 의해 U자형 공기 유로가 형성됨에 따라 각각의 연료전지 셀에 분배되는 공기를 균일하게 분포시켜 각 연료전지 셀에서 생산되는 전력량을 증대시킬 수 있고 그로 인해 시스템의 효율 및 출력이 향상됨은 물론 시스템의 소형화가 가능해지는 효과가 있다.

또, 본 발명의 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택에 따르면, 격벽에 형성된 셀 삽입홈에 각 연료전지 셀이 삽입되어 고정되므로 연료전지 셀을 안정적으로 지지할 수 있음은 물론 외부 충격으로부터 연료전지 셀이 안전하게 보호되는 효과가 있다.

또, 본 발명의 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택에 따르면, 개질기의 하부 공간이 후연소 공간으로 활용됨에 따라 개질지의 개질 반응이 원활해지고 후연소 과정에서 미반응된 연료가 연소되어 미연 가스에 의한 환경 오염이 감소하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택의 구성도.
도 2는 본 발명의 요부 구성인 격벽과 연료전지 셀의 결합 형태를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 요부 구성인 연료 공급용 매니폴드와 연료전지 셀을 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명의 요부 구성인 개질기 및 스팀 발생기가 도시된 사시도.
도 5는 본 발명의 요부 구성인 연결재를 나타낸 사시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택은, 공기 유입구(19)와 배기가스 출구(20)가 형성되며 단열재로 이루어진 외부 케이스(11)와; 상기 외부 케이스(11) 내에 수평 방향을 따라 적재되며 다수의 연료 이송구멍(10')이 형성되어 상기 연료 이송구멍(10')을 통해 공급된 연료의 화학 반응을 이용하여 전기를 생산하는 다수 개의 연료전지 셀(10)과; 양측에 상기 연료전지 셀(10)이 각각 설치되어 상기 연료 이송구멍(10')을 통해 연료를 공급하는 연료 공급용 매니폴드(15)와; 상기 공기 유입구(19)를 통해 유입된 공기의 유동통로(21)와 상기 연료전지 셀(10)에서 반응을 마친 배기가스가 유동하는 유동통로(22)를 구획하며 상기 배기가스 출구(20)에 연결된 내부 케이스(13)와; 상기 연료전지 셀(10)의 끝단 부근에 설치되어 외부로부터 공급된 연료를 개질하여 상기 연료 공급용 매니폴드(15)로 공급하는 개질기(18)와; 나선 형상의 튜브로 이루어지며 상기 개질기(18)에 스팀을 공급하는 스팀 발생기(12)와; 상기 공기 유입구(19)를 통해 유입된 공기가 U자형 유로를 따라 유동하도록 상기 연료전지 셀(10)의 중간 부분에 설치되는 격벽(16)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 격벽(16)은 셀 삽입홈(16')이 일정 간격으로 설치된 빗살 구조로 형성되며, 상기 셀 삽입홈(16')에 연료전지 셀(10)이 각각 삽입되어 고정되도록 하는 것이 바람직하다. 이에 따라 상기 연료전지 셀(10)이 안정적으로 지지되어 외부 진동에 따른 영향을 거의 받지 않게 된다.

그리고, 상기 개질기(18)는 삼각 구조로 형성되며 상기 개질기(18)의 하부 공간이 상기 연료전지 셀(10)에서 미반응된 연료가 연소되는 후연소 공간으로 사용되는 것이 바람직하다. 이에 따라 상기 후연소 공간의 배출가스는 상기 개질기(18) 및 스팀 발생기(12)를 가열함과 아울러 외부의 유입공기를 가열한 후 상기 배기가스 출구(20)를 통해 외부로 배출되도록 할 수 있다.

또, 상기 개질기(18)에는 열교환 핀(도시 생략)이 설치될 수 있는데. 이 열교환 핀은 상기 후연소 공간의 배출가스가 유동하는 배기가스 유로(17) 부분으로 돌출되는 것이 바람직하다. 이에 따라 상기 배기가스 유로를 통과하는 배출가스의 열이 열교환핀을 통해 상기 개질기로 전달되어 개질 반응을 촉진시키게 된다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 연료전지 셀(10)들 사이의 공간에 공기가 유동하도록 속이 빈 튜브 형상의 연결재(14)가 다수 설치될 수도 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택은 수평 방향을 따라 적재된 다수의 연료전지 셀을 통해 전기를 생산하게 된다.

외부 공기는 외부 케이스(11)의 공기 유입구(19)를 통해 공급되고 내부의 개질기(18)에는 연료가 공급된다. 상기 개질기(18)는 촉매층을 이용하여 연료를 개질함으로써 수소가 다량 포함되게 함과 아울러 이 개질된 연료를 연료 공급용 매니폴드(15)로 공급한다.

상기 연료 공급용 매니폴드(15)의 양측에는 각각 다수의 연료전지 셀(10)이 연결되어 있으므로, 상기 연료 공급용 매니폴드(15)의 연료는 연통된 상기 연료전지 셀(10)의 연료 이송구멍(10')을 따라 이송된다.

한편, 상기 공기 유입구(19)를 통해 유입된 공기는 외부 케이스(11)와 내부 케이스(13) 사이에 형성된 유동통로(21)를 따라 유동하면서 열 에너지를 공급받으며, 일정 온도 이상으로 상승된 공기가 격벽(16)에 의해 형성된 U자형 유로를 따라 유동하면서 상기 연료전지 셀(10)의 외부를 감싸고 지나게 된다.

이에 따라 상기 연료전지 셀(10)의 연료 이송구멍(10')을 따라 이송되는 연료의 수소와 외부 공기와 접하는 연료전지 셀(10)의 다공층에서 이온 교환이 이루어짐과 아울러 상기 연료전지 셀(10)에서 화학반응이 일어나게 됨으로써 전기가 생산된다. 이러한 화학 반응에 따른 전기의 생산 과정은 공지되어 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

상기 연료전지 셀(10)에서 미처 반응하지 못하고 남아 있는 연료는 상기 연료 이송구멍(10')의 출구를 통해 개질기(18) 하부의 후연소 공간으로 배출되며, 이 후연소 공간에서 외부 공기와 만나 잔여 연료가 연소되고 그 과정에서 발생한 열이 상기 개질기(18)에 공급되어 개질 반응을 촉진시킨다.

한편, 상기 후연소 공간에서 연소를 마친 배기가스는 상기 개질기(18)의 측부에 형성된 배기가스 유로(17)를 통해 유동하면서 상기 개질기(18)의 열교환 핀을 통해 열에너지를 전달하고, 동시에 상기 개질기(18)의 상측에 위치한 나선 형상의 스팀 발생기(12)를 가열하여 스팀이 발생하도록 한다. 상기 스팀 발생기(12)에서 발생한 스팀은 상기 개질기(18)로 공급되어 개질 반응이 잘 이루어지도록 한다. 그리고, 상기 내부 케이스(13)에 의해 형성된 배출가스의 유동통로(22)를 따라 유동하면서 외부로부터 유입된 공기를 가열한 후 배출가스 출구(20)를 통해 외부로 배출된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

10....연료전지 셀
10'...연료 이송구멍
11...외부 케이스
12...스팀 발생기
13...내부 케이스
14...연결재
15...연료 공급용 매니폴드
16...격벽
16'...셀 삽입홈
17...배기가스 유로
18...개질기
19...공기 유입구
20...배기가스 출구
21...공기 유동통로
22...배기가스 유동통로

Claims

공기 유입구(19)와 배기가스 출구(20)가 형성된 외부 케이스(11)와;
상기 외부 케이스(11) 내에 수평 방향을 따라 적재되며 다수의 연료 이송구멍(10')이 형성되어 상기 연료 이송구멍(10')을 통해 공급된 연료의 화학 반응을 이용하여 전기를 생산하는 다수 개의 연료전지 셀(10)과;
양측에 상기 연료전지 셀(10)이 각각 설치되어 상기 연료 이송구멍(10')을 통해 연료를 공급하는 연료 공급용 매니폴드(15)와;
상기 공기 유입구(19)를 통해 유입된 공기의 유동통로(21)와 상기 연료전지 셀(10)에서 반응을 마친 배기가스가 유동하는 유동통로(22)를 구획하며 상기 배기가스 출구(20)에 연결된 내부 케이스(13)와;
상기 연료전지 셀(10)의 끝단 부근에 설치되어 외부로부터 공급된 연료를 개질하여 상기 연료 공급용 매니폴드(15)로 공급하는 개질기(18)와;
나선 형상의 튜브로 이루어지며 상기 개질기(18)에 스팀을 공급하는 스팀 발생기(12);를 포함하며,
상기 개질기(18)는 삼각 구조로 형성되며 상기 개질기(18)의 하부 공간이 상기 연료전지 셀(10)에서 미반응된 연료가 연소되는 후연소 공간으로 사용되는 것을 특징으로 하는 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택.
제1항에 있어서,
상기 연료전지 셀(10)의 중간 부분에 격벽(16)이 설치되어 상기 공기 유입구(19)를 통해 유입된 공기가 U자형 유로를 따라 유동하도록 한 것을 특징으로 하는 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택.
제2항에 있어서,
상기 격벽(16)은 셀 삽입홈(16')이 일정 간격으로 설치된 빗살 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택.
삭제
제1항에 있어서,
상기 후연소 공간의 배출가스는 상기 개질기(18) 및 스팀 발생기(12)를 가열함과 아울러 외부의 유입공기를 가열한 후 상기 배기가스 출구(20)를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택.
제1항에 있어서,
상기 개질기(18)에 설치되는 열교환 핀이 상기 후연소 공간의 배출가스가 유동하는 배기가스 유로(17) 부분으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료전지 셀(10)들 사이의 공간에 공기가 유동하도록 속이 빈 튜브 형상의 연결재(14)가 다수 설치되는 것을 특징으로 하는 고온 평관형 고체 산화물 연료전지 스택.