KR102268562B1 - 고체산화물 연료전지 모듈 및 스택 - Google Patents

고체산화물 연료전지 모듈 및 스택 Download PDF

Info

Publication number
KR102268562B1
KR102268562B1 KR1020190174819A KR20190174819A KR102268562B1 KR 102268562 B1 KR102268562 B1 KR 102268562B1 KR 1020190174819 A KR1020190174819 A KR 1020190174819A KR 20190174819 A KR20190174819 A KR 20190174819A KR 102268562 B1 KR102268562 B1 KR 102268562B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cell
sealing material
solid oxide
oxide fuel
anode
Prior art date
Application number
KR1020190174819A
Other languages
English (en)
Inventor
유지행
윤경식
김현진
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020190174819A priority Critical patent/KR102268562B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102268562B1 publication Critical patent/KR102268562B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/028—Sealing means characterised by their material
    • H01M8/0282—Inorganic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2432—Grouping of unit cells of planar configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 안정성이 향상된 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것이다. 본 발명의 고체산화물 연료전지 모듈 및 스택은 금속 브레이징을 구비한 양극 분리판과 셀 프레임, 평판형 셀 꼭지점에 셀 가이드를 포함하여, 고체산화물 연료전지의 양극 밀봉기술의 한계를 극복하고 셀 단락을 방지하여 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.

Description

고체산화물 연료전지 모듈 및 스택{Solid Oxide Fuel Cell Modules and Stacks}
본 발명은 고체산화물 연료전지용 스택에 관한 것으로, 상세하게는 금속 브레이징을 구비한 양극 분리판과 셀 프레임을 포함하고, 평판형 셀 테두리에 코너 포켓 및 코너 포켓 측면 모서리에 셀 가이드를 포함하여, 안정성이 향상된 고체산화물 연료전지 모듈에 관한 것이다.
연료전지는 공기극에 산소가 공급되고 연료극에 연료가스가 공급되어 물의 전기분해 역반응(reverse reaction) 형태의 전기화학 반응이 진행되면서 전기, 열 및 물이 발생되어 공해를 유발하지 않고 고효율로 전기를 생성한다. 특히 3세대 연료전지로 각광받고 있는 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 전해질이 치밀구조의 고체 금속 산화물이고 산소 이온이 공기극에서 연료극으로 수송(transported)되는 연료전지의 유형으로, 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않고 직접 내부 개질(internal reforming)을 통한 다양한 연료 이용이 가능하며 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다. 이러한 장점으로 인해 SOFC에 관한 연구는 미국, 일본 등을 중심으로 활발히 이루어지고 있다.
고체산화물 연료전지 스택으로는 단위전지를 서로 연결시키는 접속자(interconnect)의 형태에 따라 원통형, 평관형, 평판형 등의 셀의 형태에 따라 반복적으로 구성요소가 적층된 구조(repeating component type)와 하나의 매니폴드 또는 구조물에 접합되어 있는 구조(Non-repeating type)로 구분된다. 평판형 SOFC에는 연료간의 혼합을 막고 단위전지 내의 구성요소 사이의 접합을 위해 실링재의 개발이 필수적이다. 적층되는 구성요소로는 평판형 타입의 셀, 분리판, 셀 프레임, 집전체, 밀봉재가 있으며 이를 순차적으로 적층한 형태가 일반적이다. 평판형 SOFC 스택의 분리판과 셀 프레임은 상하의 연료와 공기의 흐름을 분리함과 동시에 셀 사이를 직렬 회로로 연결해주는 역할로서 주로 SUS400계, SUS300계 소재가 사용되고 있다. 밀봉재는 마이카, 글라스 또는 마이카와 글라스 하이브리드 형태가 사용되고 있으나 마이카 사용 시 높은 압력조건이 요구되어 현재 대부분 글라스 밀봉재가 이용되며, 이는 주로 셀, 음극, 양극부분의 밀봉을 수행한다.
연료전지 스택은 금속소재인 분리판과 셀 그리고 글라스 밀봉재의 접합으로 구성되고, 고온 접합과 열 충격 실험 시 서로 다른 열팽창계수로 인한 가스 누설문제와 물리적 충격으로 인한 글라스의 취성문제로 스택의 내구성을 좌우하는 결정적인 문제가 있다. 특히 SOFC의 가동 조건으로 인해 양극 밀봉재는 음극 밀봉재에 비해 가혹한 환경에서 구동되는데, 예를 들면 연료전지 스택의 용량/적층 셀 수 증가에 따라 양 극의 공기유량은 음극의 연료가스 유량에 비해 다량의 가스가 흐르게 되고 이는 분당 수십 내지 수백 리터까지 흐를 수 있다. 따라서 양극에 많은 가스유량이 흐르게 되면서 직접적으로 양극 밀봉재에 온도편차와 높은 압력과 같은 가혹한 환경에 노출되어 취약한 글라스 밀봉재가 손상되기도 한다.
현재 기계적 강도가 높은 금속지지형 셀을 이용하여 글라스 밀봉재 대신 셀을 분리판에 용접 또는 브레이징을 통하여 직접적으로 접합하는 방식을 통해 글라스 밀봉재를 최소화 하려는 연구를 진행하고 있으나 셀에 직접적인 브레이징 접합 시 전기적 쇼트문제, 금속과 세라믹의 이종접합 용이성의 문제, 그리고 음극지지형 셀보다 비교적 낮은 성능으로 인해 대면적/대용량 스택을 제작하기에 적합하지 않다.
대한민국 공개특허 2010-0029331는 고체산화물 연료전지에 관한 것으로, 금속지지체형 고체산화물 연료전지를 개시한다. 그러나 이는 세라믹 셀과 중공부가 형성된 금속지지체를 분리판에 직접 브레이징 접합한 연료전지로, 전기적 쇼트, 이종 접합의 문제가 생길 수 있으며, 대면적/대용량의 연료전지 구현에 기술적 어려움이 있다. 또한 양극 분리판의 절연이 필수적으로 글라스 또는 마이카 소재의 밀봉재를 사용하는 한계점이 있다.
따라서 고체산화물 연료전지의 양극 밀봉기술의 한계를 극복하고 구조적 안정성이 향상된 연료전지 스택의 개발이 필요하다.
대한민국 공개특허 2010-0029331
본 발명은 고체산화물 연료전지 모듈 및 스택은 고온 고압 환경에서 연료와 공기의 혼합을 효과적으로 차단하여 연료전지 성능을 향상시키고자 한다.
본 발명은 고체산화물 연료전지 모듈로, 상기 모듈은 양극부 및 음극부, 상기 양극부와 음극부 사이에 위치하는 치밀한 구조의 전해질을 포함하는 평판형 셀; 상기 평판형 셀의 상면 중앙과 하면이 노출되도록 상부에 중앙개구부가 관통된 셀 적치 공간인 셀 포켓을 하부면에 구비하고, 테두리부에는 연료출입부와 공기출입부를 포함하며, 상기 셀과 절연되도록 셀 상면 및 측면의 접촉부는 셀 밀봉재로 밀봉하는 셀 프레임; 상기 셀 프레임 상면에서 브레이징 밀봉재인 양극 밀봉재로 접합되고, 상기 셀 프레임의 연료출입부 및 공기출입부와 각각 이어지는 연료출입부 및 공기출입부를 포함하는 분리판; 상기 셀 프레임의 중앙 개구부에 위치하며 상기 셀 프레임의 중앙개구부에 노출된 셀의 상면과 상기 분리판 사이에 위치하는 양극 집전체; 상기 노출된 셀의 하면과 접하는 음극 집전체; 및 상기 음극 집전체의 측면을 둘러싸며, 상기 셀 프레임의 연료출입부 및 공기출입부와 각각 이어지는 연료출입부 및 공기출입부를 포함하는 음극 밀봉재를 포함하고, 상기 분리판, 상기 양극 밀봉재, 상기 셀 프레임, 상기 음극 밀봉재를 통해서연료출입부 및 공기출입부는 연결되는, 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 양극 밀봉재 재료는 Ni, Cu, Ag 또는 Zr을 포함하는 합금 또는 스테인레스 합금인, 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 셀 및 셀 포켓은 사각형이고 상기 사각형의 각 꼭지점부에는 셀의 위치를 고정용 셀 가이드가 위치하는 확장공간인 코너포켓이 형성되는, 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 셀 밀봉재 및 음극 밀봉재는 글라스, 마이카 또는 글라스와 마이카 하이브리드 밀봉재인, 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 셀 가이드의 재료는 세라믹 또는 마이카인, 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 분리판 중앙에는 기체유로가 양면으로 형성된, 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 어느 하나의 연료전지 모듈을 복수개 적층하되, 상기 각 모듈의 연료출입부 및 공기출입부는 각각 서로 연결되는, 고체산화물 연료전지 스택을 제공한다.
본 발명의 고체산화물 연료전지 모듈 및 스택은 금속 브레이징을 구비한 양극 분리판과 셀 프레임, 평판형 셀 꼭지점에 셀 가이드를 포함하여, 고체산화물 연료전지의 양극 밀봉기술의 한계를 극복하고 셀 단락을 방지하여 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구현예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈의 (a)사시도 (b)분해도 및 (c)셀 프레임의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈의 (a)평면도, (b)셀 가이드 장착 방법을 나타내는 코너 포켓의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 한 구현예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈의 셀 가이드를 포함하는 단면의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 한 구현예에 따른 고체산화물 연료전지 스택의 분해도이다.
도 5는 본 발명의 한 구현예에 따른 고체산화물 연료전지 스택 내 유리밀봉 모듈과 브레이징 밀봉 모듈의 열충격 성능을 나타내는 평균 셀 전압 비교 그래프이다.
도 6은 셀 가이드가 없는 경우의 모듈을 사용하여 개방 전압을 측정한 그래프(a) 및 셀과 셀 프레임 간의 단락이 일어나는 모식도(b)이다.
도 7은 셀 가이드를 구비하는 모듈을 사용하여 개방전압을 측정한 그래프이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
한 양태에서 본 발명은 고체산화물 연료전지 모듈로, 상기 모듈은 양극부 및 음극부, 상기 양극부와 음극부 사이에 위치하는 치밀한 구조의 전해질을 포함하는 평판형 셀; 상기 평판형 셀의 양극부 측을 지지하며 배치되고 중앙개구부, 연료출입부 및 공기출입부를 구비하는 셀 프레임; 상기 셀 프레임과 양극 밀봉재로 접합되고 연료출입부 및 공기출입부를 구비하는 분리판; 상기 셀 프레임 하면과 접하며 배치되고 중앙개구부, 연료출입부 및 공기출입부를 구비하는 음극 밀봉재; 상기 셀 프레임의 중앙 개구부에 위치하는 양극 집전체; 및 상기 음극 밀봉재의 중앙 개구부에 위치하는 음극 집전체를 포함한다.
본 발명의 고체산화물 연료전지란, 3세대 연료전지로 불리며 산소 또는 수소 이온전도성을 띄고 고온(700℃ 내지 1000℃)에서 작동하는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지이다. 일반적인 SOFC는 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극부(양극부) 및 연료극부(음극부)으로 이루어져 있다. 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되며, 이 때 연료극에서 전자가 생성되고 공기극에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시킨다. 고체산화물 연료전지의 가동 조건으로 인해 양극 밀봉재는 음극 밀봉재에 비해 스택의 용량/적층 셀 수 증가에 따라 양 극의 공기유량이 증가하는 등의 가혹한 환경에서 구동되는데, 본 발명의 고체산화물 스택은 양극 밀봉재의 내구성을 증가시켜 연료전지 효율을 증가시키고자 한다.
도 1은 본 발명의 한 구현예에 따른 연료전지 모듈의 (a)사시도, (b)분해도 및 (c)셀 프레임의 평면도이다. 본 발명의 모듈(1)의 셀(11)은 음극부(연료극)와 양극부(공기극)를 포함하고 치밀한 구조의 전해질이 음극부와 양극부 사이에 위치한다. 한 구현예에서 상기 셀(11)은 사각 평판형 셀이다. 전해질은 연료와 가스가 혼합되지 않도록 구조가 치밀해야 하며, 산소이온의 전도도가 높고 전자전도도가 낮아야 한고, 이때 전해질을 구성하는 재료로는 세리아계 및 란타늄 갈레이트계 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 평판형 셀의 음극부의 재료는 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리합금 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고, 상기 이온전도성 전해질 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아(Sm doped-Ceria) 및 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates)중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어 질 수 있으며, 상기 이온전도성 전해질의 재료는 Y2O3-doped Zirconia 또는 Y, Sc 또는 Yb가 첨가된 zirconia, Y, Gd 또는 Sm이 첨가된 ceria 및 Sr과 Mg이 동시에 첨가된 LaGaO3 중에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기 양극부의 재료는 세라믹 및 세라믹-이온전도성 전해질 재료 복합체 중에서 선택되고, 상기 세라믹은 스트론튬 타이타늄 페라이트(Strontium titanium ferrite, STF), 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 코발타이트(Lanthanum strontium coblatite, LSC), 스트론튬 코발트 페라이트(Strontium cobalt ferrite, SFC), 바륨 스트론튬 코발트 페라이트(barium strontium cobalt ferrite, BSCF), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 및 란타늄 니켈(lanthanum nickelate, LNO)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며, 상기 이온전도성 전해질 재료는 Y, Sc 또는 Yb가 첨가된 zirconia, Y, Gd 또는 Sm이 첨가된 ceria 및 Sr과 Mg이 동시에 첨가된 LaGaO3 중에서 선택되는 하나 이상이다.
본 발명에 따른 모듈의 셀 양극부 측에는 사각 평판형 셀의 측면을 감싸는 셀 포켓을 구비하여 셀의 양극부 측을 지지하며 배치되고, 중앙개구부, 연료출입부(15) 및 공기출입부(14)를 구비하는 셀 프레임(12)이 위치한다. 도 1 (b),(c) 및 도 3을 참조하면 상기 셀 프레임(12)의 셀 포켓(113)에 셀(11)이 위치하며, 상기 셀 프레임(12)의 중앙 개구부는 양극 집전체(32)가 위치되는 곳으로 셀(11)과 양극 집전체(32)의 사이즈에 따라 셀 포켓 및 중앙 개구부의 크기 및 형상을 달리 할 수 있다. 셀 프레임(12)의 상부 외측면에는 연료출입부(15) 및 공기출입부(14)를 구비하는 분리판(13)이 적층되며 상기 셀 프레임(12)과 분리판(13) 사이에는 양극 밀봉재(21)층이 형성되며, 양극 밀봉재에 의해 접합된다. 한 구현예에서 본 발명의 양극 밀봉재(21)는 브레이징 접합제를 사용할 수 있다.
본 발명의 브레이징(brazing)이란, 납땜의 한 종류이며, 접합하려는 모재보다 녹는점이 낮은 비철금속 또는 그 합금(납재)을 용가재로 사용함으로써 모재를 거의 용융시키지 않고 납재만을 용융시켜 접합하는 접합 방법이다. 고체산화물 연료전지 구동에 있어서 양극부는 비교적 가혹한 환경에 노출되는데, 브레이징 접합제를 사용함으로써 간단하면서도 완벽하게 양극부를 밀봉시킬 수 있을 뿐만 아니라 고온 또는 급격한 온도 변화 환경에서 접합부의 열충격에 대한 저항력이 강하고 기계적 강도와 기밀성이 뛰어난 연료전지의 내구성과 성능을 향상시키는 효과가 있다. 본 발명의 브레이징 밀봉재는 셀 프레임(12) 외측면에 형성되며, 분리판(13)과 셀 프레임(12)의 밀봉을 용이하게 할 수 있다. 본 발명의 브레이징 밀봉은 포일(foil) 형태의 밀봉재 또는 페이스트 형태의 밀봉재를 사용할 수 있다. 상기 포일 형태의 밀봉재를 사용할 경우 연료출입부와 중앙 개구부, 공기출입부를 구비하는 포일을 사용할 수 있다. 상기 페이스트는 셀 프레임 최상부면을 따라 코팅하고 분리판과 접합하여 브레이징할 수 있다.
본 발명의 셀 프레임(12)과 분리판(13)은 금속제인 브레이징 밀봉으로 밀봉되기 때문에 상기 셀 프레임(12)과 셀(11)간의 절연은 필수 사항이다. 본 발명에서는 셀 프레임(12)과 셀(11)의 측면 절연을 위해, 본 발명의 모듈은 코너 포켓(111) 및 셀 가이드(112)를 구비함으로써 셀(11)의 절연을 수행한다. 도 2 및 도 3을 참조하면 상기 코너 포켓(111)은 본 발명의 셀 프레임(12)에 구비된 것으로, 셀 프레임(12)에 구비된 셀 포켓(113)의 꼭지점 부에 형성된다. 상기 셀 가이드(112)는 코너 포켓(111)에 장착되는 것으로, 셀 가이드(112)에 의해 셀(11)이 셀 포켓에 완전히 고정될 수 있으며, 이는 셀(11) 측면과 셀 프레임(12)의 접촉을 방지할 수 있다. 셀 가이드(112)는 구조적으로 단단한 절연체인 세라믹 또는 마이카를 사용할 수 있다. 상기 세라믹은 알루미나, 지르코니아, 마그네시아 및 실리카로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 절연성 산화물을 사용할 수 있다. 도 3을 참조하면 셀(11)과 셀 프레임(12)과 접할 수 있는 양극부의 일부는 글라스, 마이카 또는 글라스와 마이카의 하이브리드의 셀 밀봉재(23)를 사용하여 밀봉할 수 있다.
본 발명의 셀 프레임(12)의 하부는 스택 제조시 다른 모듈의 분리판(13)과 접하면서 적층되며, 분리판(13)과 접하는 부분에 음극 밀봉층(22)이 형성될 수 있다. 상기 음극 밀봉층(22)은 중앙 개구부를 구비하며, 중앙 개구부에는 음극 집전체(31)가 셀(11)의 음극과 접하며 위치한다. 음극 집전체(31)는 음극부의 측면에 위치해 음극에서 발전되는 전기를 모으는 역할을 할 수 있다. 상기 음극 밀봉재(22)는 글라스, 마이카 또는 글라스와 마이카의 하이브리드 밀봉재를 사용할 수 있다. 본 발명의 모듈은 셀 프레임(12), 분리판(13), 음극 밀봉재에 각각 구비된 공기출입부(14) 및/또는 연료출입부(15)는 적층되면서 서로 접하여 연결된다. 상기 분리판(13) 중앙에는 기체유로가 양면으로 형성될 수 있으며, 이는 연료 또는 공기의 출입을 용이하게 할 수 있다.
또 다른 양태에서 본 발명은 전술한 고체산화물 연료전지 모듈을 사용한 고체산화물 연료전지 스택(stack)으로, 상기 스택은, 연료출입부(15) 및 공기출입부(14)를 구비한 복수개의 모듈(1)을 포함하며, 상기 각 모듈의 연료출입부(15) 및 공기출입부(14)는 각각 상하로 연결되도록 적층된 것이다. 도 4는 본 발명의 한 구현예에 따른 고체산화물 연료전지의 스택의 분해도를 나타낸다. 상기 스택은 복수개의 모듈(1)이 분리판(13)과 음극 밀봉재(22)가 접하도록 적층되는 것이고, 각 모듈의 공기출입부(14)와 연료출입부(15)가 연결되도록 적층된다. 공기는 공기출입부(14)로 통과할 수 있으며, 연료는 연료출입부(15)로 통과 할 수 있다. 상기 스택의 최상단의 모듈에는 분리판(13) 대신 금속 상부판(60a)을 사용하고 이는 상부 매니폴드(50a)와 연결된다. 하단의 모듈의 음극 밀봉재는 금속 하부판(61b)과 밀봉되며, 이는 공기출입부(14) 및 연료출입부(15)를 구비한 하부 매니폴드(50b)와 연결되어 연료전지를 구동시킬 수 있다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1 브레이징 양극 밀봉재에 따른 내구성 향상
본 발명의 고체산화물 연료전지 스택이 기존의 양극 밀봉재로 글라스 밀 봉재를 사용한 스택과 열충격 실험을 수행하여 연료전지의 내구성를 비교하였다. 열 충격 실험은 양극 밀봉재로 글라스와 브레이징를 각각 적용하여 상온~750℃ 온도를 반복하는 상온 열사이클 실험을 2회 수행하였다. 그 결과는 도 5에 기재되어 있다. 기존 밀봉방식인 양극에 글라스 밀봉재를 적용한 스택은 열 충격이 진행 될수록 초기전압 1.245V에서 1.236V까지 급격한 성능 감소를 나타내고 있는 반면, 양극에 브레이징 밀봉재를 적용한 본 발명의 스택은 초기전압 1.248V에서 열 충격 2회 반복 후에도 초기 전압과 다름 없는 1.249V로 성능이 유지되는 것을 확인하였다. 이는 양극에 브레이징을 적용한 스택은 기존 글라스 밀봉재 스택에 비해 열 충격에 대한 내구성이 우수한 것으로 판단된다.
실시예 2 코너 포켓 및 셀 가이드에 의한 절연 효과
고용량 스택을 제조하기 위해서는 모듈이 여러 장 적층(예를 들어 1kW 스택의 경우 30~50장의 스택모듈이 적층됨)되는데, 이때 글라스 밀봉재를 사용하여 셀/셀 프레임을 절연하는 방법 및 셀 크기를 셀 프레임의 셀 포켓(113) 보다 작게하여 절연하는 방법은 고온에서 전처리 밀봉 시 스택이 수축하면서 셀이 구조적으로 뒤틀려 셀과 셀 프레임 간의 접촉이 일어날 수 있다. 셀과 셀 프레임 간의 접촉은 브레이징이 적용된 스택에는 치명적인 성능 저하 요인이며 이를 극복하기 위한 방법으로 코너 포켓과 셀 가이드를 이용한 절연을 수행하였다. 그 결과는 도 6 및 7에 기재되어 있다. 도 6은 셀 가이드가 없는 모듈을 사용하여 제작한 스택으로부터 각 모듈의 개방 전압을 측정한 그래프(a) 및 셀과 셀 프레임 간의 단락이 일어나는 부분의 모식도(b)이며, 도 7은 셀 가이드를 구비하는 모듈을 사용하여 제작한 스택으로부터 각 모듈의 개방전압을 측정한 그래프이다. 셀 가이드를 구비한 모듈로 제작한 스택은 모든 모듈에서 일정한 개방전압이 유지되는 것을 확인하였다. 이에 반해, 셀 가이드가 없는 모듈에서는 일부 음극과 셀 프레임 사이의 접촉에 의해 개방전압이 낮고 불안정한 값(v10)을 보이는 결과를 확인하였다. 이는 본 발명에서 셀 가이드를 적용함으로써 보다 안정한 출력전압의 스택을 제작할 수 있음을 나타낸다.
이상에서 본원의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본원의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본원의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본원의 권리범위에 속하는 것이다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.
1. 모듈
11. 셀
12. 셀 프레임
13. 분리판
14. 공기출입부
15. 연료출입부
21. 양극 밀봉재
22. 음극 밀봉재
23. 셀 밀봉재
31. 음극 집전체
32. 양극 집전체
50a, 50b. 매니폴드
60a, 60b. 금속 상부판, 금속 하부판
111. 코너 포켓
112. 셀 가이드
113. 셀 포켓

Claims (7)

  1. 고체산화물 연료전지 모듈로:
    상기 모듈은 양극부 및 음극부, 상기 양극부와 음극부 사이에 위치하는 치밀한 구조의 전해질을 포함하는 평판형 셀;
    상기 평판형 셀의 상면 중앙과 하면이 노출되도록 상부에 중앙개구부가 관통된 셀 적치 공간인 셀 포켓을 하부면에 구비하고, 테두리부에는 연료출입부와 공기출입부를 포함하며, 상기 셀과 절연되도록 셀 상면 및 측면의 접촉부는 셀 밀봉재로 밀봉하는 셀 프레임;
    상기 셀 프레임 상면에서 브레이징 밀봉재인 양극 밀봉재로 접합되고, 상기 셀 프레임의 연료출입부 및 공기출입부와 각각 이어지는 연료출입부 및 공기출입부를 포함하는 분리판;
    상기 셀 프레임의 중앙 개구부에 위치하며 상기 셀 프레임의 중앙개구부에 노출된 셀의 상면과 상기 분리판 사이에 위치하는 양극 집전체;
    상기 노출된 셀의 하면과 접하는 음극 집전체; 및
    상기 음극 집전체의 측면을 둘러싸며, 상기 셀 프레임의 연료출입부 및 공기출입부와 각각 이어지는 연료출입부 및 공기출입부를 포함하는 음극 밀봉재를 포함하고,
    상기 분리판, 상기 양극 밀봉재, 상기 셀 프레임, 상기 음극 밀봉재를 통해서 연료출입부 및 공기출입부는 연결되고,
    상기 셀 밀봉재 및 음극 밀봉재는 글라스, 마이카 또는 글라스와 마이카 하이브리드 밀봉재인,
    고체산화물 연료전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극 밀봉재 재료는 Ni, Cu, Ag 또는 Zr을 포함하는 합금 또는 스테인레스 합금인,
    고체산화물 연료전지 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 및 셀 포켓은 사각형이고 상기 사각형의 각 꼭지점부에는 셀의 위치 고정용 셀 가이드가 위치하는 확장공간인 코너포켓이 형성되는,
    고체산화물 연료전지 모듈.
  4. 삭제
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 셀 가이드의 재료는 세라믹 또는 마이카인,
    고체산화물 연료전지 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리판 중앙에는 기체유로가 양면으로 형성된,
    고체산화물 연료전지 모듈.
  7. 상기 제 1항 내지 제 3항 또는 제 5항 중 어느 한 항의 연료전지 모듈을 복수 개 적층하되,
    상기 적층되는 각 모듈의 연료출입부 및 공기출입부는 서로 연결되는,
    고체산화물 연료전지 스택.
KR1020190174819A 2019-12-26 2019-12-26 고체산화물 연료전지 모듈 및 스택 KR102268562B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190174819A KR102268562B1 (ko) 2019-12-26 2019-12-26 고체산화물 연료전지 모듈 및 스택

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190174819A KR102268562B1 (ko) 2019-12-26 2019-12-26 고체산화물 연료전지 모듈 및 스택

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102268562B1 true KR102268562B1 (ko) 2021-06-24

Family

ID=76606928

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190174819A KR102268562B1 (ko) 2019-12-26 2019-12-26 고체산화물 연료전지 모듈 및 스택

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102268562B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230072604A (ko) 2021-11-18 2023-05-25 서울시립대학교 산학협력단 연료전지용 단위 셀

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100029331A (ko) 2008-09-08 2010-03-17 한국과학기술원 금속지지체형 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법
JP2012230875A (ja) * 2011-04-27 2012-11-22 Ngk Spark Plug Co Ltd 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法
JP2015125981A (ja) * 2013-12-27 2015-07-06 日本特殊陶業株式会社 燃料電池用構造体及び燃料電池並びに燃料電池用構造体の製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100029331A (ko) 2008-09-08 2010-03-17 한국과학기술원 금속지지체형 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법
JP2012230875A (ja) * 2011-04-27 2012-11-22 Ngk Spark Plug Co Ltd 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法
JP2015125981A (ja) * 2013-12-27 2015-07-06 日本特殊陶業株式会社 燃料電池用構造体及び燃料電池並びに燃料電池用構造体の製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230072604A (ko) 2021-11-18 2023-05-25 서울시립대학교 산학협력단 연료전지용 단위 셀

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11239493B2 (en) Method for bonding solid electrolyte layer and electrodes, method for manufacturing fuel cell, and fuel cell
KR101130126B1 (ko) 평관형 고체산화물 연료전지의 전기 연결재 제작 및 설치
KR102268562B1 (ko) 고체산화물 연료전지 모듈 및 스택
US9705148B2 (en) Stacked structure for fuel cell
JP6667278B2 (ja) 電気化学反応セルスタック
JP5480656B2 (ja) 横縞型固体酸化物形燃料電池バンドルおよび燃料電池
KR101289171B1 (ko) 매니폴드 밀봉이 없는 평판형 고체산화물 연료 전지
JP5437152B2 (ja) 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックおよび燃料電池
JP7236966B2 (ja) 電気化学反応セルスタック
JP2018137206A (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
KR102479821B1 (ko) 요철 패턴을 갖는 고체산화물 연료전지용 분리판 모듈 및 이를 포함하는 연료전지용 스택
KR102499211B1 (ko) 고체산화물 연료전지용 분리판 모듈 및 이를 포함하는 연료전지용 스택
KR101155375B1 (ko) 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체 및 이를 이용한 스택 구조
JP2010205619A (ja) 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックおよび燃料電池
JP7194155B2 (ja) 電気化学反応セルスタック
JP7187382B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP7112443B2 (ja) 電気化学反応セルスタック
JP7132982B2 (ja) 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック
JP2018137204A (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
KR20240081531A (ko) 고체산화물 연료전지용 모듈 및 이를 구비하는 고체산화물 연료전지용 스택
EP3579319B1 (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
KR102167201B1 (ko) 전기 화학 반응 단위 및 전기 화학 반응 셀 스택
JP2023080457A (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP2023074566A (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP2023119076A (ja) 複合体

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant