KR102083710B1 - 고체 산화물 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체 산화물 연료전지에 관한 기술로써, 보다 상세하게는, 윈도우 프레임 일 측에 격벽이 제공되어 실란트의 유동을 제어하고 실란트와 공기극이 접촉되는 것을 방지함으로써, 단위 셀의 기계적 파괴와 화학적 특성 변형을 방지할 수 있는 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다.

Description

고체 산화물 연료전지{SOLID OXIDE FUEL CELL}

본 발명은 고체 산화물 연료전지에 관한 기술로써, 보다 상세하게는, 윈도우 프레임 일 측에 격벽이 제공되어 실란트의 유동을 제어하고 실란트와 공기극이 접촉되는 것을 방지함으로써, 단위셀의 기계적 파괴와 화학적 특성 변형을 방지할 수 있는 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 단위셀, 윈도우 프레임, 실란트 및 인터커넥터로 이루어져 있다. 여기서, 실란트는 단위셀과 윈도우 프레임 및 윈도우 프레임과 인터커넥터 사이 위치될 수 있고, 나아가, 실란트 소재는 주로 유리 및 결정화 유리로 이루어져 있어 고온에서 유동성을 가질 수 있다.

여기서, 공기극은 높은 이온 전도도와 전자 전도도를 갖고 산화분위기에서 안정하며 다른 구성요소와 화학반응 및 상호확산이 없을 뿐만 아니라 열팽창계수가 유사한 다공성 막이어야 한다. 현재 공기극 재료로는 LaMnO₃계, LaCoO₃계 및 귀금속계 중 어느 하나가 사용되고 있다.

또한, 전해질층은 이트리아 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia, YSZ), 칼시아 안정화 지르코니아(calcia stabilized zirconia, CSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, SSZ) 등과 같은, Y, Ca, Ni 또는 Sc이 도핑된 지르코니아(ZrO2)계 산화물; 가돌리니아 도핑된 세리아(gadolinia doped ceria, GDC), 사마륨 도핑된 세리아(samarium doped ceria, SDC), 이트리아 도핑된 세리아(yttria-doped ceria, YDC) 등과 같은 Gd, Y 또는 Sm이 도핑된 세리아(CeO2)계 산화물 중 어느 하나로 제조될 수 있다.

종래 고체 산화물 연료전지의 전해질은 세리아계 전해질을 주로 사용하였는데, 세리아계 전해질은 수소에 의해 환원되고, 산소 이온에 의해 환원이 억제되는 특성이 있다. 또한, 수소에 의한 세리아계 전해질의 환원되는 면적을 최소화하기 위해서는 공기극의 증착 면적을 최대한 증가시켜야 하는데, 종래 고체 산화물 연료전지는 공기극과 실란트의 접촉을 방지하기 위해 공기극의 크기를 최소한으로 증착해야 하는 문제점이 있었다.

또한, 공기극과 실란트가 접촉되면 열팽창계수(CTE) 차이에 의한 기계적 파괴와 공기극과 실란트의 화학적 반응에 의한 공기극의 특성 변화가 발생하는 문제점이 있었다.

이와 관련하여, 공기극의 증착 면적을 최대화하고, 공기극과 실란트의 접촉을 방지함으로써 고체 산화물 연료전지의 효율을 증가시킬 수 있는 고체 산화물 연료전지가 필요한 실정이다.

한국등록특허 제10-1162668호

본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 공기극과 실란트의 접촉을 방지하고, 공기극의 증착 크기를 최대화하기 위해, 윈도우 프레임 일 측에 실란트가 삽입되는 삽입홈과 실란트의 유동성을 제어하는 격벽이 형성된 고체 산화물 연료전지를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 고체 산화물 연료전지는 연료극, 전해질층 및 공기극을 포함하는 단위 셀; 상기 단위 셀 측면에 위치하는 윈도우 프레임; 및 상기 단위 셀과 상기 윈도우 프레임을 접합시키는 실란트;을 포함하고, 상기 윈도우 프레임은, 상기 공기극과 상기 실란트의 접촉을 방지하는 격벽부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 격벽부는, 하측 방향으로 개구되고 상기 실란트가 위치하는 삽입 홈; 및 상기 삽입 홈의 일 측에서 하측 방향으로 연장 형성되는 격벽;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 격벽에 의하여 상기 실란트는 상기 공기극으로의 유동을 방지하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 공기극의 면적이 상기 전해질층 면적 비율에 90 내지 97%인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 격벽부는, 상기 윈도우 프레임의 내측 가장자리를 따라 상기 단위 셀과 상기 윈도우 프레임 사이에 격벽을 위치시켜 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 윈도우 프레임은, 세라믹 및 금속제 중 어느 하나로 제조되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 고체 산화물 연료전지는, 상기 윈도우 프레임 상부에 위치되는 상부 실란트층; 상기 윈도우 프레임 하부에 위치되는 하부 실란트층; 상기 상부 실란트층 상부에 위치되고, 산소가 공급되는 산소 유로가 형성된 공기극 인터커넥터; 및 상기 하부 실란트층 하부에 위치되고, 수소가 공급되는 수소 유로가 형성된 연료극 인터커넥터;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 고체 산화물 연료전지는, 상기 단위 셀 하부에 위치되는 연료극 집전체; 및 상기 단위 셀 상부에 위치되는 공기극 집전체;를 더 포함하는 한다.

본 발명에 따르면, 하측 방향으로 개구되고 실란트가 위치되는 삽입홈과 삽입 홈 일 측에 위치되고 하측 방향으로 연장 형성되는 격벽이 포함됨으로써, 고체 산화물 연료전지의 제조 및 작동 온도에서 실란트가 공기극 방향으로 유동되는 것을 방지하는 효과가 있다.

또한, 삽입 홈 및 격벽으로 인해 실란트의 유동이 제어됨으로써, 전해질층 상부에 위치되는 공기극을 전해질층 면적 대비 90 내지 98%의 크기로 증착되어 산소 이온과의 접촉 면적을 증가시켜 수소에 의해 환원되는 전해질층의 면적을 최소화 하는 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 일 실시예에 따른 윈도우 프레임의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 격벽부의 단면 모식도이다.

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 단위 셀(10), 윈도우 프레임(20), 실란트(30), 상부 실란트(41), 하부 실란트(42), 공기극 인터커넥터(50) 및 연료극 인터커넥터(60)를 포함할 수 있다.

단위 셀(10)은 연료전지(100)에 전기를 발생시키는 역할을 하고, 산소이온 전도성을 갖는 전해질과 그 양면의 연료극과 공기극으로 구성된다. 연료극에 연료를 공급해주면 연료가 산화되어 전자가 외부회로를 통하여 방출되고, 공기극에 산소를 공급해주면 외부회로로부터 전자를 받아서 산소이온으로 환원된다. 환원된 산소이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 산화된 연료와 반응하여 물을 생성한다. 이 때 연료극에서 공기극으로의 전자 흐름으로 직류 전기를 생산하게 된다. 단위셀(10)은 전해질 자립막식, 음극 지지체식 및 다공성지지체 세 가지 구조를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 단위 셀(10)은 음극 지지체식 구조로, 연료극 및 전해질에 비해 공기극이 작게 형성될 수 있다. 공기극은 공기극에서 생성되는 산소 이온과 전해질층을 접촉시켜 전해질층의 환원을 억제하는 역할을 하므로, 면적이 넓을수록 연료전지(100)의 효율이 증가될 수 있다. 그러나, 종래 연료전지는 단위셀과 윈도우 프레임을 접촉시키는 실란트가 공기극과 접촉될 수 있는 문제로 공기극의 면적을 넓히는데 한계가 있었다. 따라서, 본 발명에 따른 단위셀(10)은 후술되는 격벽부에 의해 실란트(30)의 유동을 제어할 수 있으므로 공기극의 면적이 전해질층의 면적 비율에 90 내지 97%로 형성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 윈도우 프레임(20)의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 격벽부(도시되지 않음)의 단면 모식도이다. 도 3 및 도 4를 참고하여 본 발명에 따른 윈도우 프레임(20)을 구체적으로 설명하기로 한다.

윈도우 프레임(20)은 공기극 및 연료극 인터커넥터(50, 60)를 통해 유입되는 산소와 수소가 단위 셀(10)로 유입되는 것을 방지하고, 연료전지(100) 작동 중 산소와 수소가 서로 섞이지 않도록 하는 역할을 한다. 또한, 공기극 및 연료극 인터커넥터(50, 60)를 통해 유입되는 산소와 수소가 연료전지(100) 내부에서 유동될 수 있게 유로가 형성될 수 있다.

아울러, 윈도우 프레임(20)은 단위 셀(10) 측면에 위치하고, 좀 더 상세하게는, 단위 셀(10)의 가장자리를 감싸는 프레임 형태로 형성될 수 있다. 단위 셀(10)을 연료극 인터커넥터(60)와 접촉 및 고정시키기 위해 윈도우 프레임(20) 상부와 하부 프레임의 폭이 상이하게 형성될 수 있다. 즉, 윈도우 프레임(20)의 일부와 후술되는 실란트(20)를 상부가 접합되는 형태로 제조되어 실란트(30)에 수직 면압을 가함으로써, 실란트(30)를 균일한 두께로 수축하고, 단위셀(10)과 윈도우 프레임(20)을 견고하게 접합시킬 수 있다.

나아가, 본 발명에 따른 윈도우 프레임(20)은 공기극과 실란트의 접촉을 방지하는 격벽부가 형성될 수 있고, 격벽부는 윈도우 프레임(20)의 폭이 넓은 일 측에 형성될 수 있다. 도 4를 참고하면, 격벽부는 하측 방향으로 개구되고 실란트(30)가 위치하는 삽입홈(22)과 삽입홈(22)의 일 측에서 하측 방향으로 연장 형성되는 격벽(21)을 포함할 수 있다.

또한, 격벽부는 윈도우 프레임(20)의 모서리 4면 또는 2면에 형성될 수 있고, 2면에 형성되는 경우, 마주보는 면에 형성될 수 있는 것에 유의한다.

격벽부는 윈도우 프레임 제조 시, 패터닝 또는 식각에 의해 격벽(21) 및 삽입부(22)를 형성하거나, 윈도우 프레임(20)의 내측 가장자리를 따라 단위셀(10)과 윈도우 프레임(20) 사이 지지체 형식으로 격벽(21)을 위치시킴으로써 격벽(21)과 삽입부(22)를 형성할 수 있다. 이 때, 윈도우 프레임(20)은 세라믹 및 금속제 중 어느 하나로 제조될 수 있고, 격벽(21)은 윈도우 프레임과 동일한 조성물로 제조될 수 있다.

윈도우 프레임(20)에 격벽부가 형성됨으로써, 연료전지(100) 작동 온도 또는 제조 온도에서 유동성을 가지는 실란트(30)가 공기극과 접촉되는 것을 방지하고, 공기극의 증착 면적을 최대화할 수 있는 효과가 있다.

실란트(30)는 단위셀(10)과 윈도우 프레임(20)을 접합시키는 역할을 하고, 단위셀(10)에 주어지는 충격을 완화하는 완충제로써의 역할도 동시에 수행할 수 있다. 실란트(30)는 유리 및 결정화 유리 중 어느 하나로 형성될 수 있고, 고온에서 유동성을 가지는 성질을 가지고 있다. 또한, 실란트(30)는 프레임 모양으로 형성될 수 있고, 전해질층과 크기가 동일한 것을 특징으로 한다.

실란트(30)와 공기극이 접촉되면 공기극의 기계적 파괴가 일어날 수 있고, 화학적 변화에 의해 공기극의 특성이 변형될 수 있으므로, 실란트(30)는 윈도우 프레임(20)에 형성된 삽입부(22)에 위치되는 것을 유의한다.

인터커넥터는 산소가 공급되는 공기극 인터커넥터(50)와 수소가 공급되는 연료극 인터커넥터(60)로 나눠질 수 있다. 공기극 인터커넥터(50)와 연료극 인터커넥터(60) 각각의 일면에는 산소가 유동되는 산소 매니폴드 및 수소가 유동되는 수소 매니폴드가 형성될 수 있다. 산소 매니폴드는 대향되는 위치에 형성되어 산소가 단위셀(10)의 수직 또는 수평 방향으로 이동될 수 있게 유도할 수 있다. 수소 매니폴드 또한 대향되는 위치에 형성되어 연료극 인터커넥터를 통해 공급된 수소가 단위셀(10)의 연료극의 수직 또는 수평 방향으로 이동될 수 있게 유도할 수 있다. 예를 들어, 산소 매니폴드가 수직 방향으로 대향되게 위치될 경우, 공기극 인터커넥터를 통해 공급된 산소는 공기극의 수직 방향으로 이동될 수 있고, 수소 매니폴드가 수평 방향으로 대향되게 위치될 경우, 연료극 인터커넥터를 통해 공급된 수소는 연료극의 수평 방향으로 이동될 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 고체 산화물 연료전지(100)가 두 개 이상 적층되어 형성되는 평판형 고체 산화물 연료전지 스택에서, 인터커넥터는 적층된 두 개 이상의 단위 셀(10)들을 전기적으로 연결해 주는 역할을 함과 동시에 연료극과 공기극에 공급되는 두 종류의 가스가 혼합되지 않고 단위 셀(10)에 균일하게 공급될 수 있도록 유로가 형성될 수 있다.

공기극 인터커넥터(50) 및 연료극 인터커넥터(60)에 형성된 유로는 요철 구조로써 공기극 및 연료극 인터커넥터(50, 60) 상면 및 하면 중 어느 하나에 형성될 수 있다. 또한, 공기극 인터커넥터(50)에 형성된 유로와 연료극 인터커넥터(60)에 형성된 유로는 수직한 방향으로 형성되어 서로 연통되지 않는 것에 유의한다.

단위 셀(10)이 하나 이상 적층됨으로써 형성되는 연료전지 스택에서 단위 셀(10)과 단위 셀(10) 사이에 위치되는 인터커넥터는 분리판 역할을 할 수 있다.

본 발명에 따른 평판형 고체 산화물 연료전지(100) 및 연료전지 스택은 실란트층을 더 포함할 수 있다. 실란트층은 윈도우 프레임(20)과 공기극 인터커넥터(50)를 접합 및 고정시켜주는 상부 실란트층(41)과 윈도우 프레임(20)과 연료극 인터커넥터(50)를 접합 및 고정시켜주는 하부 실란트층(42)을 포함할 수 있다. 따라서, 실란트층은 프레임 모양으로 형성될 수 있고, 그리고, 상부 및 하부 실란트층(41, 42)은 유리 및 결정화 유리 중 어느 하나로 형성될 수 있다.

또한, 연료전지(100) 및 연료전지 스택은 단위셀(10)과 인터커넥터(50, 60) 사이 집전체(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다.

집전체는 일반적으로 연료극 또는 공기극이 공기극 및 연료극 인터커넥터와 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.

상기 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 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: 고체 산화물 연료전지
10: 단위 셀
20: 윈도우 프레임
21: 격벽
22: 삽입홈
30: 실란트
41: 상부 실란트층
42: 하부 실란트층
50: 공기극 인터커넥트
60: 연료극 인터커넥트

Claims (8)

1. 연료극, 전해질층 및 공기극을 포함하는 단위 셀;
   상기 단위 셀 측면에 위치하는 윈도우 프레임; 및
   상기 단위 셀과 상기 윈도우 프레임을 접합시키는 실란트;을 포함하고,
   상기 윈도우 프레임은,
   하측 방향으로 개구되고 상기 실란트가 위치되는 삽입홈 및 상기 삽입홈 일측에 하측 방향으로 연장 형성되는 격벽을 포함하여 상기 공기극과 상기 실란트의 접촉을 방지하는 격벽부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   고체 산화물 연료전지.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 격벽에 의하여 상기 실란트는 상기 공기극으로의 유동을 방지하는 것을 특징으로 하는,
   고체 산화물 연료전지.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 공기극의 면적이 상기 전해질층 면적 비율에 90 내지 97%인 것을 특징으로 하는,
   고체 산화물 연료전지.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 격벽부는,
   상기 윈도우 프레임의 내측 가장자리를 따라 상기 단위 셀과 상기 윈도우 프레임 사이에 격벽을 위치시켜 형성되는 것을 특징으로 하는,
   고체 산화물 연료전지.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 윈도우 프레임은,
   세라믹 및 금속제 중 어느 하나로 제조되는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 고체 산화물 연료전지는,
   상기 윈도우 프레임 상부에 위치되는 상부 실란트층;
   상기 윈도우 프레임 하부에 위치되는 하부 실란트층;
   상기 상부 실란트층 상부에 위치되고, 산소가 공급되는 산소 유로가 형성된 공기극 인터커넥터; 및
   상기 하부 실란트층 하부에 위치되고, 수소가 공급되는 수소 유로가 형성된 연료극 인터커넥터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 고체 산화물 연료전지는,
   상기 단위셀 하부에 위치되는 연료극 집전체; 및
   상기 단위셀 상부에 위치되는 공기극 집전체;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고체 산화물 연료전지.
   

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