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KR100815207B1 - 고체산화물 연료전지 - Google Patents

고체산화물 연료전지 Download PDF

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KR100815207B1
KR100815207B1 KR1020060110447A KR20060110447A KR100815207B1 KR 100815207 B1 KR100815207 B1 KR 100815207B1 KR 1020060110447 A KR1020060110447 A KR 1020060110447A KR 20060110447 A KR20060110447 A KR 20060110447A KR 100815207 B1 KR100815207 B1 KR 100815207B1
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KR
South Korea
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channels
electrolyte
solid oxide
cell
cover plate
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KR1020060110447A
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English (en)
Inventor
김영정
정동택
Original Assignee
김영정
엠아이엠 세라믹스(주)
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Publication date
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Priority to US12/514,184 priority patent/US8377605B2/en
Priority to CN200780041560XA priority patent/CN101595588B/zh
Priority to EP07833955A priority patent/EP2095455B1/en
Priority to CN201210064199.5A priority patent/CN102593493B/zh
Priority to PCT/KR2007/005648 priority patent/WO2008056958A1/en
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Abstract

본 발명은 단위체적당 전극 면적을 대폭적으로 증가시킨 고효율의 고체산화물 연료전지를 개시한다. 본 발명은 베이스부와, 베이스부의 일면에 형성되어 있는 복수의 벽체부들을 가지며 벽체부들 사이에 복수의 채널들이 형성되어 있는 전해질 블록과, 전해질 블록에 채널들의 상부를 폐쇄하도록 장착되어 있는 커버 플레이트와, 채널들 각각의 내면에 교번적으로 구성되어 있는 복수의 공기극들과 복수의 연료극들로 구성된다. 또한, 스택은 복수의 단전지들이 적층되어 구성되며, 단전지들 각각은 채널들을 갖는 전해질 블록과 커버 플레이트로 구성된다. 단전지들의 양측에 채널들의 양측단을 폐쇄하는 제1 및 제2 사이드 플레이트가 장착되어 있다. 전해질 블록과 커버 플레이트에는 공기와 연료의 흐름을 유도하도록 제1 통로와 제2 통로가 각각 형성되어 있다. 본 발명에 의하면, 전해질 블록에 채널들이 형성되고, 전해질 블록의 채널들 각각에 공기극과 연료극이 구성되는 구조에 의하여 전극 면적이 크게 증가되어 고효율을 구현할 수 있다. 전해질의 두께를 줄여 이온전도성을 크게 향상시킬 수 있으며, 저항이 감소되어 작동온도를 낮출 수 있다. 또한, 단전지들의 적층에 의하여 구성되는 스택이 동종소재로 접합되어 열응력에 의한 파손이 방지되는 등 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 단전지와 스택의 구조가 간단하여 용이하게 소형화 및 경량화하여 제작할 수 있는 효과가 있다.

Description

고체산화물 연료전지{SOLID OXIDE FUEL CELL}
도 1은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 제1 실시예를 나타낸 사시도,
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도,
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 제2 실시예를 나타낸 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 제2 실시예의 고체산화물 연료전지에서 공기와 연료의 흐름을 나타낸 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 제3 실시예를 나타낸 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 제3 실시예의 고체산화물 연료전지에서 공기와 연료의 흐름을 나타낸 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 제4 실시예를 나타낸 사시도,
도 9는 본 발명에 따른 제4 실시예의 고체산화물 연료전지에서 공기와 연료의 흐름을 나타낸 단면도,
도 10은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 제5 실시예를 나타낸 사시도,
도 11은 도 10의 ＸⅠ-ＸⅠ선 단면도,
도 12는 도 10의 ＸⅡ-ＸⅡ선 단면도,
도 13은 도 10의 ⅩⅢ-ⅩⅢ선 단면도이다.
♣도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣
10, 110, 210, 310, 410: 전해질 블록 12, 112, 212, 312: 베이스부
14, 114, 214, 314: 벽체부 16, 116, 216, 316: 채널
20, 120, 230, 330: 커버 플레이트 30, 130, 240, 340, 440: 공기극
40, 140, 250, 350, 450: 연료극 100, 200, 300: 단전지
118, 218, 318: 제1 통로 122, 232: 제2 통로
150, 260, 360: 스택
160, 270, 370: 제1 사이드 플레이트
162, 272, 372: 제2 사이드 플레이트 220, 320: 측벽부
412: 제1 채널 414: 제2 채널
420: 제1 커버 플레이트 422: 제1 통로
424: 제2 통로 430: 제2 커버 플레이트
432: 제3 통로 434: 제4 통로
본 발명은 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단위체적당 전극 면적을 대폭적으로 증가시킨 고효율의 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 연료의 산화반응을 전기ㅇ화학적으로 발생시켜 산화반응에 따른 자유에너지의 변화를 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 연료전지는 인산 연료전지, 고분자전해질 연료전지, 용융탄산 연료전지, 고체산화물 연료전지 등 다양한 형태와 구조로 개발되어 있다.
고체산화물 연료전지는 600~1,000℃의 고온에서 작동되어 전기에너지와 열에너지를 생산하므로, 현재까지 개발되어 있는 연료전지 중 가장 에너지의 변환 효율이 높다. 따라서 고체산화물 연료전지가 실용화될 경우, 높은 에너지의 변환 효율로 인하여 기존의 에너지 변환장치를 대체할 수 있다. 또한, 고체산화물 연료전지는 수소를 원료로 사용할 경우, 이산화탄소(CO2)의 배출이 억제되어 미래 에너지 시스템의 에너지원으로 사용될 것이라 예상된다.
한편, 고체산화물 연료전지는 고온 작동으로 인하여 연료극(Anode)의 내부 반응이 가능하기 때문에 수소 이외에 천연가스, 석탄가스 등의 다양한 연료를 사용할 수 있는 장점이 있다. 또한, 고체산화물 연료전지는 용융탄산염 연료전지와는 달리 액체전해질을 사용하지 않으므로 재료의 부식, 전해질의 손실 및 보충에 따른 문제가 없는 장점이 있다. 고체산화물 연료전지에서 배출되는 양질의 폐열을 이용한 폐열회수 및 복합발전이 가능하여 전체 발전 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
고체산화물 연료전지의 원리를 살펴보면, 고체산화물 연료전지는 산소 이온전도성(Ionic conductive) 전해질, 전해질의 양면에 위치한 공기극(Cathode)과 연 료극을 갖는 단전지(Cell)로 구성되어 있다. 단전지의 각 전극에 공기와 수소 연료를 공급하면, 공기극에서 산소의 환원 반응이 일어나 산소이온이 생성되고, 전해질을 통하여 연료극으로 이동한 산소이온은 다시 연료극에 공급된 수소와 반응하여 물을 생성하게 된다. 이때, 연료극에서는 전자가 생성되고, 공기극에서는 전자가 소모된다. 연료극과 공기극을 서로 연결하면 전기를 얻을 수 있다.
이러한 고체산화물 연료전지에 있어서 산소이온의 이동이 가능하도록 전해질의 높은 이온전도성이 요구되고 있다. 또한, 전해질은 저항의 감소를 위하여 기계적인 내구성을 갖는 범위 내에서 가능한 한 얇은 두께의 박막으로 제조되는 것이 요구되고 있다.
고체산화물 연료전지는 스택(Stack)에 의하여 원통형(Tubular type)과 평판형(Planar type)의 두 가지로 크게 구분되고 있다. 원통형 고체산화물 연료전지는 등록특허공보 제10-0286779호와 등록특허공보 제10-0344936호 등 많은 특허문헌에서 찾아볼 수 있다. 평판형 고체산화물 연료전지는, 예를 들어 공개특허공보 특2000-0059837호에 개시되어 있다.
한편, 평판형 고체산화물 연료전지는 자립형 구조와 지지체형 구조로 나눌 수 있다. 자립형 구조의 단전지는 최저 약 200㎛ 두께를 갖는 전해질 기판의 양쪽에 수십 ㎛의 두께를 갖는 양극과 음극을 코팅하여 제조하고 있다. 지지체형 구조의 단전지는 1~2㎜ 두께의 다공성 전극 지지체에 약 20㎛ 두께의 얇은 전해질막을 형성하여 제조하고 있다.
그러나 상기한 특허문헌들의 평판형 고체산화물 연료전지를 포함하는 종래기술의 고체산화물 연료전지들은 고효율의 발전을 위하여 전해질의 두께를 얇게 하고, 전극 면적을 확대하기 어려운 많은 난제를 포함하고 있다. 예컨대, 전해질의 두께를 얇게 하기 위하여 전극의 표면에 전해질을 코팅하여 열처리하는 경우, 전극재료와 이온전도재료간의 상이한 열적 거동으로 인하여 내부에 많은 결함을 가지게 된다. 특히, 전극재료 위에 형성된 전해질층에 작은 구멍(Pinhole)들이 발생되고, 작은 구멍들을 통하여 연료와 공기가 직접 접촉되어 에너지의 변환 효율이 저하되는 단점이 수반되고 있다. 또한 전극과 전해질의 동시소결(Co-firing)시에는 전극과 전해질의 반응으로 인하여 전해질의 특성이 변화되고, 전해질의 이온전도성이 저하되는 문제가 있다.
한편, 고체산화물 연료전지의 고출력화를 위해서는 복수의 단전지들을 접속하여 넓은 면적의 스택을 구성해야 한다. 단전지들의 접속은 금속이 사용되고 있으나, 전극을 구성하는 세라믹과 금속의 열팽창계수 차이로 인하여 내구성이 취약한 문제가 있다. 특히, 고체산화물 연료전지의 운전과 정지가 반복될 경우, 열응력에 의하여 파손이 발생되는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 본 발명의 목적은 전해질 블록에 채널들이 형성되고, 전해질 블록의 채널들 각각에 공기극과 연료극이 구성되는 구조에 의하여 단위체적당 전극 면적이 크게 증가되어 고효율을 구현할 수 있는 고체산화물 연료전지를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 전해질의 두께를 줄여 이온전도성을 크게 향상시킬 수 있으며, 저항이 감소되어 작동온도를 크게 낮출 수 있는 고체산화물 연료전지를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 단전지들의 적층에 의하여 구성되는 스택이 동종소재로 접합되어 열응력에 의한 파손이 방지되는 등 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 고체산화물 연료전지를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 단전지와 스택의 구조가 간단하여 용이하게 소형화 및 경량화하여 제작할 수 있는 고체산화물 연료전지를 제공함에 있다.
이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 평탄한 베이스부과, 베이스부의 일면에 형성되어 있는 복수의 벽체부들을 가지며, 벽체부들 사이에 양측과 상부가 개방되어 있는 복수의 채널들이 형성되어 있는 전해질 블록과; 전해질 블록에 채널들의 상부를 폐쇄하도록 장착되어 있는 커버 플레이트와; 채널들의 내면 각각에 공기와 연료 각각의 흐름을 유도할 수 있도록 교번적으로 구성되어 있는 복수의 공기극들과 복수의 연료극들로 이루어지는 고체산화물 연료전지에 있다.
본 발명의 다른 특징은, 양측과 상부가 개방되어 있는 복수의 채널들이 형성되어 있으며 채널들 각각에 연결되는 복수의 제1 통로들이 형성되어 있는 전해질 블록과, 전해질 블록에 채널들의 상부를 폐쇄하도록 장착되어 있고 채널들 각각에 연결되는 복수의 제2 통로들이 형성되어 있는 커버 플레이트와, 채널들의 내면 각각에 공기와 연료 각각의 흐름을 유도할 수 있도록 교번적으로 구성되어 있는 복수 의 공기극들과 복수의 연료극들을 각각 구비하며, 적층되어 있는 복수의 단전지들과; 단전지들의 일측에 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있는 제1 사이드 플레이트와; 단전지들의 타측에 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있는 제2 사이드 플레이트로 이루어지는 고체산화물 연료전지에 있다.
본 발명의 또 다른 특징은, 복수의 채널들이 형성되어 있으며 채널들 각각의 양측 중 일측이 교번적으로 폐쇄되어 있는 전해질 블록과, 전해질 블록에 채널들의 상부를 폐쇄하도록 장착되어 있는 커버 플레이트와, 채널들 각각의 내면에 교번적으로 구성되어 있는 복수의 공기극들과 복수의 연료극들을 각각 구비하는 최상층 단전지, 최하층 단전지와 하나 이상의 중간층 단전지와; 중간층 단전지의 일측에 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있는 제1 사이드 플레이트와; 중간층 단전지의 타측에 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있는 제2 사이드 플레이트로 이루어지고, 최상층 단전지와 중간층 단전지 각각의 전해질 블록의 일측에 채널들 각각에 연결되는 복수의 제1 통로들이 형성되어 있으며, 중간층 단전지의 커버 플레이트의 일측에 채널들 각각에 연결되는 복수의 제2 통로들이 형성되어 있는 고체산화물 연료전지에 있다.
본 발명의 또 다른 특징은, 복수의 채널들이 형성되어 있으며 채널들 각각의 양측 중 일측이 교번적으로 폐쇄되어 있는 전해질 블록과, 채널들 각각의 내면에 교번적으로 구성되어 있는 복수의 공기극들과 복수의 연료극들을 각각 구비하는 최상층 단전지, 최하층 단전지와 하나 이상의 중간층 단전지와; 최상층 단전지의 상부에 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있는 커버 플레이트와; 중간층 단전지의 일측 에 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있는 제1 사이드 플레이트와; 중간층 단전지의 타측에 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있는 제2 사이드 플레이트로 이루어지고, 최상층 단전지와 중간층 단전지 각각의 전해질 블록의 일측에 채널들 각각에 연결되는 복수의 통로들이 형성되어 있는 고체산화물 연료전지에 있다.
본 발명의 또 다른 특징은, 일측에 복수의 제1 채널들이 형성되어 있으며, 타측에 제1 채널들 사이에 위치되도록 복수의 제2 채널들이 형성되어 있는 전해질 블록과; 전해질 블록의 일측에 제1 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있고, 양측에 제1 채널들 각각의 양단과 연결되는 제1 통로와 제2 통로가 각각 형성되어 있는 제1 커버 플레이트와; 전해질 블록의 타측에 제2 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있으며, 양측에 제2 채널들 각각의 양단과 연결되는 제3 통로와 제4 통로가 각각 형성되어 있는 제2 커버 플레이트와; 제1 채널들 각각에 형성되어 있는 복수의 공기극들과; 제2 채널들 각각에 형성되어 있는 복수의 연료극들로 이루어지는 고체산화물 연료전지에 있다.
이하, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1 내지 도 3에는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 제1 실시예가 도시되어 있다. 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 제1 실시예의 고체산화물 연료전지는 전해질 블록(10)을 구비한다. 전해질 블록(10)은 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, YSZ), CeO2계 전해질, Bi2O3계 전해질, LaGaO3계 전해질 등의 이온전도체로 구성될 수 있다.
전해질 블록(10)은 평탄한 베이스부(Base portion: 12)와, 이 베이스부(12)의 일면에 등간격을 이루도록 형성되어 있는 복수의 벽체부(Wall portion: 14)들로 구성되어 있다. 그리고 벽체부(14)들 사이에는 양단과 상부가 개방되어 있는 복수의 채널(Channel: 16)들이 형성되어 있다. 벽체부(14)들의 두께는 수십 ㎛으로 형성될 수 있으며, 채널(16)들 각각의 깊이는 벽체부(14)들 각각의 폭에 대하여 약 30배로 형성될 수 있다. 예컨대, 벽체부(14)들의 두께가 50㎛로 제조될 경우, 채널(16)들의 깊이는 약 1,500㎛으로 제조될 수 있다.
또한, 전해질 블록(10)의 상부에 채널(16)들을 폐쇄하도록 커버 플레이트(Cover plate: 20)가 장착되어 있다. 커버 플레이트(20)는 전해질 블록(10)과 동일한 전해질, 글래스, 글래스 세라믹(Glass-ceramics) 등으로 구성될 수 있다. 전해질 블록(10)과 커버 플레이트(20)는 고온고압 하에서 직접적으로 접합되거나 글래스 세라믹 등의 밀봉재에 의하여 밀봉될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 모두 참조하면, 채널(16)들의 내면에 공기극(30)들과 연료극(40)들이 교번적으로 구성되어 있다. 공기극(30)들과 연료극(40)들 각각은 전기화학증착(Electrochemical vapor deposition)에 의하여 구성될 수 있다. 또한, 공기극(30)들과 연료극(40)들 각각은 페이스트(Paste) 형태로 제조되어 코팅에 의하여 구성될 수 있다. 공기극(30)들과 연료극(40)들 각각은 다양한 재료가 사용될 수 있다. 대표적으로 공기극(30)들은 LaSrMnO3으로 구성될 수 있으며, 연료극(40)들은 Ni-YSZ 서밋(Cermet)으로 구성될 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 제1 실시예의 고체산화물 연료전지는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 공기극(30)들이 구성되어 있는 채널(16)들에 공기, 즉 산소(O2)가 공급되고, 연료극(40)들이 구성되어 있는 채널(16)들에 연료, 예를 들어 수소(H2)가 공급된다. 도 3에 공기와 연료는 공기극(30)들과 연료극(40)들을 따라 서로에 대하여 반대되는 방향의 흐름을 갖도록 공급되는 것이 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 공기와 연료의 공급 방향은 임의로 선택될 수 있다.
공기의 공급에 의하여 공기극(30)들에서 산소의 환원 반응이 일어나 산소이온이 생성되고, 전해질 블록(10)의 벽체부(14)들을 통하여 연료극(40)들로 이동한 산소이온은 다시 연료극(40)들에 공급된 수소와 반응하여 물을 생성하게 된다. 이때, 공기극(30)들에서는 산소분자가 전자를 받아 이온화되면서 전자가 소모되고, 연료극(40)들에서는 산소이온과 수소가 반응하여 산화되면서 전자가 생성된다. 공기극(30)들과 연료극(40)들을 서로 연결하면, 전자의 흐름이 이루어져 전기가 발생된다. 공기극(30)들과 연료극(40)들 각각은 버스(Bus) 또는 전류집전체(Current collector)에 접속될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 제1 실시예의 고체산화물 연료전지는 전해질 블록(10)의 채널(16)들에 공기극(30)들과 연료극(40)들이 구성되는 구조에 의하여 벽체부(14)들, 즉 전해질의 두께를 얇게 형성하여 이온전도성을 향상시킬 수 있으면서도 공기극(30)들과 연료극(40)들의 면적을 크게 제조할 수 있다.따라서 본 발명에 따른 제1 실시예의 고체산화물 연료전지는 고효율의 발전을 이룰 수 있다. 또한, 얇은 전해질의 두께에 의하여 저항이 감소되어 작동온도를 크게 낮출 수 있으므로, 휴대용 전자장치, 소형전자장치 등의 전원으로 사용할 수 있다.
도 4와 도 5에는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 제2 실시예가 도시되어 있다. 도 4와 도 5를 참조하면, 제2 실시예의 고체산화물 연료전지는 복수개의 단전지(100)들을 구비한다. 단전지(100)들은 전해질 블록(110), 커버 플레이트(120), 공기극(130)들과 연료극(140)들로 구성되어 있다. 전해질 블록(110)의 베이스부(112), 벽체부(114)들, 채널(116)들, 커버 플레이트(120), 공기극(130)들, 연료극(140)들은 전해질 블록(10)의 베이스부(12), 벽체부(14)들, 채널(16)들, 커버 플레이트(20), 공기극(30)들, 연료극(40)들과 동일하게 구성되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
단전지(100)들은 순차적으로 적층되어 고체산화물 연료전지의 스택(150)을 구성한다. 전해질 블록(110)의 베이스부(112)의 일측에 채널(116)들에 연결되는 복수의 제1 통로(118)들이 형성되어 있다. 도 3과 도 4에 제1 통로(118)들은 베이스부(112)의 일단을 부분적으로 절제한 절제홈부로 형성된 것이 도시되어 있으나, 통로(118)들은 베이스부(112)의 일측에 채널(116)들과 연결되는 구멍으로 형성될 수 있다. 또한, 단전지(100)들은 상층 단전지(100a)와 하층 단전지(100b)의 두 개가 적층되어 있는 것이 도시되어 있으나, 단전지(100)들의 개수는 적절하게 증가될 수 있다.
단전지(100)들 중 중첩되어 있는 상층 단전지(100a)에 형성되어 있는 채 널(116)들과 하층 단전지(100b)에 형성되어 있는 채널(116)들이 서로 연결되도록 베이스부(112)의 제1 통로(118)들은 지그재그(Zigzag)형으로 배열되어 있다. 베이스부(112)의 제1 통로(118)들과 반대되는 커버 플레이트(120)의 타측에 복수의 제2 통로(122)들이 채널(116)들과 연결되도록 형성되어 있다. 제1 통로(118)들과 제2 통로(122)들은 상층 단전지(100a)와 하층 단전지(100b)의 공기극(130)들과 연료극들(140) 각각을 따라 공기와 연료 각각의 흐름을 지그재그형으로 유도하도록 배열되어 있다.
스택(150)의 양측면에 단전지(100)의 채널(116)들을 폐쇄할 수 있도록 제1 사이드 플레이트(Side plate: 160)와 제2 사이드 플레이트(162)가 각각 장착되어 있다. 제1 사이드 플레이트(160)와 제2 사이드 플레이트(162)는 전해질, 글래스, 글래스 세라믹으로 구성될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 제2 실시예의 고체산화물 연료전지는 공기극(130)들이 구성되어 있는 채널(116)들에 공기가 공급되고, 연료극(140)들이 구성되어 있는 채널(116)들에 연료로 수소가 공급된다. 공기와 연료는 제1 통로(118)들, 제2 통로(122)들, 공기극(130)들과 연료극(140)들을 따라 각각 지그재그형의 흐름을 갖는다.
한편, 제2 실시예의 고체산화물 연료전지는 단전지(100)들의 적층에 의하여 스택(150)이 구성되므로, 공기극(130)들과 연료극(140)들의 면적, 즉 전극 면적이 크게 증가되어 고효율의 발전을 이룰 수 있다. 또한, 커버 플레이트(120)가 단전지(100)들의 전해질 블록(110)과 열팽창계수의 차이가 없는 동종소재로 구성되는 경우, 이 단전지(100)들의 적층 구조에 의하여 스택(150)이 동종소재로 접합되어 내구성 및 신뢰성이 향상된다. 그리고 커버 플레이트(120)와 제1 및 제2 사이드 플레이트(160, 162)가 글래스, 글래스 세라믹으로 구성되는 경우에도 전해질 블록(110)과의 열팽창계수의 차이가 금속에 비하여 크게 낮다. 따라서 제2 실시예의 고체산화물 연료전지는 운전과 정지가 반복되는 경우에도 열응력에 의한 파손이 방지된다. 단전지(100)들과 스택(150)의 구조가 간단하여 대용량의 발전 시스템을 용이하게 소형화 및 경량화하여 시설할 수 있다.
도 6과 도 7에는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 제3 실시예가 도시되어 있다. 도 6과 도 7을 참조하면, 제3 실시예의 고체산화물 연료전지는 복수개의 단전지(200)들을 구비한다. 단전지(200)들은 전해질 블록(210), 커버 플레이트(230), 공기극(240)들과 연료극(250)들로 구성되어 있다. 전해질 블록(210)의 베이스부(212), 벽체부(214)들, 채널(216)들, 커버 플레이트(230), 공기극(240)들, 연료극(250)들은 전해질 블록(10)의 베이스부(12), 벽체부(14)들, 채널(16)들, 커버 플레이트(20), 공기극(30)들, 연료극(40)들과 동일하게 구성되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
채널(216)들 각각의 양측 중 어느 일측이 교번적으로 폐쇄되도록 벽체부(214)들 중 인접하는 두 벽체부(214)들 각각의 일측이 측벽부(220)들이 연결되어 있다. 즉, 측벽부(220)들은 두 벽체부(214)들 각각의 일측에 지그재그형으로 연결되어 채널(216)들 각각의 일측을 폐쇄한다.
단전지(200)들은 순차적으로 적층되어 고체산화물 연료전지의 스택(260)을 구성한다. 단전지(200)들은 최상층 단전지(200a), 최하층 단전지(200b), 최상층 단전지(200a)와 최하층 단전지(200b) 사이에 적층되어 있는 하나 이상의 중간층 단전지(100c)로 구성되어 있다. 도 6과 도 7에는 한 개의 중간층 단전지(200c)가 적층되어 있는 것이 예시적으로 도시되어 있다.
측벽부(220)들과 반대 방향에 위치되도록 최상층 단전지(200a)와 중간층 단전지(200c)의 베이스부(212)의 일측에 제1 통로(218)들이 지그재그형으로 형성되어 있다. 베이스부(212)의 제1 통로(218)들과 반대되는 중간층 단전지(200c)의 커버 플레이트(230)의 타측에 복수의 제2 통로(232)들이 채널(216)들과 연결되도록 형성되어 있다. 제1 통로(218)들과 제2 통로(232)들은 최상층 단전지(200a), 최하층 단전지(200b)와 중간층 단전지(200c)의 공기극(240)들과 연료극들(250) 각각을 따라 공기와 연료 각각의 흐름을 지그재그형으로 유도하도록 배열되어 있다. 도 6과 도 7에 제1 통로(218)들과 제2 통로(232)들은 구멍으로 형성되어 있는 것이 도시되어 있으나, 제1 통로(218)들과 제2 통로(232)들은 베이스부(212)와 커버 플레이트(230)의 일측을 부분적으로 절제한 절제홈부로 형성될 수 있다.
스택(260)의 양측면에 중간층 단전지(200)의 채널(216)들을 폐쇄할 수 있도록 제1 사이드 플레이트(270)와 제2 사이드 플레이트(272)가 각각 장착되어 있다. 제1 사이드 플레이트(160)와 제2 사이드 플레이트(162)는 전해질, 글래스, 글래스 세라믹으로 구성될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 제3 실시예의 고체산화물 연료전지는 공기극(240)들이 구성되어 있는 채널(216)들에 공기가 공급되고, 연료극(250)들이 구성되어 있 는 채널(216)들에 연료로 수소가 공급된다. 공기와 연료는 제1 통로(218)들, 제2 통로(232)들, 공기극(240)들과 연료극(250)들을 따라 각각 지그재그형의 흐름을 갖는다. 도 7에 공기와 연료는 최하층 단전지(200b)의 채널(216)들을 통하여 공급되는 것이 도시되어 있으나, 공기와 연료는 최상층 단전지(200a)의 채널(216)들을 통하여 공급될 수 있다. 이 경우, 최하층 단전지(200b)의 제1 통로(218)들은 삭제되고, 제1 통로(218)들은 최상층 단전지(200a)의 베이스부(212)에 형성된다.
제3 실시예의 고체산화물 연료전지는 단전지(200)들의 적층에 의하여 스택(260)이 구성되므로, 제2 실시예의 고체산화물 연료전지와 마찬가지로 전극 면적이 크게 증가되어 고효율의 발전을 이룰 수 있으며, 내구성 및 신뢰성이 향상되고, 단전지(200)들과 스택(260)의 구조가 간단하여 용이하게 소형화 및 경량화하여 제작할 수 있다.
도 8과 도 9에는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 제4 실시예가 도시되어 있다. 도 8과 도 9를 참조하면, 제4 실시예의 고체산화물 연료전지는 복수개의 단전지(300)들을 구비한다. 단전지(300)들은 전해질 블록(310), 공기극(340)들과 연료극(350)들로 구성되어 있다. 전해질 블록(310)의 베이스부(312), 벽체부(314)들, 채널(316)들, 공기극(340)들, 연료극(350)들은 전해질 블록(10)의 베이스부(12), 벽체부(14)들, 채널(16)들, 공기극(30)들, 연료극(40)들과 동일하게 구성되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
채널(316)들 각각의 양측 중 어느 일측이 교번적으로 폐쇄되도록 벽체부(314)들 중 인접하는 두 벽체부(314)들 각각의 일측이 측벽부(320)들이 연결되어 있다. 즉, 측벽부(320)들은 두 벽체부(314)들 각각의 일측에 지그재그형으로 연결되어 채널(316)들 각각의 일측을 폐쇄한다.
단전지(300)들은 순차적으로 적층되어 고체산화물 연료전지의 스택(360)을 구성한다. 단전지(300)들은 최상층 단전지(300a), 최하층 단전지(300b), 최상층 단전지(300a)와 최하층 단전지(300b) 사이에 적층되어 있는 하나 이상의 중간층 단전지(300c)로 구성되어 있다. 도 8과 도 9에는 한 개의 중간층 단전지(300c)가 적층되어 있는 것이 예시적으로 도시되어 있다.
측벽부(320)들과 반대 방향에 위치되도록 최상층 단전지(300a)와 중간층 단전지(300c)의 베이스부(312)의 일측에 통로(318)들이 지그재그형으로 형성되어 있다. 통로(318)들은 최상층 단전지(300a), 최하층 단전지(300b)와 중간층 단전지(300c)의 공기극(340)들과 연료극들(350) 각각을 따라 공기와 연료 각각의 흐름을 지그재그형으로 유도하도록 배열되어 있다. 도 8과 도 9에 통로(318)들은 베이스부(312)의 일단을 부분적으로 절제한 절제홈부로 형성된 것이 도시되어 있으나, 통로(318)들은 베이스부(312)의 일측에 채널(316)들과 연결되는 구멍으로 형성될 수 있다.
최상층 단전지(300a)의 상면에 채널(316)들의 상방을 폐쇄할 수 있도록 커버 플레이트(330)가 장착되어 있다. 스택(360)의 양측면에 중간층 단전지(300)의 채널(316)들을 폐쇄할 수 있도록 제1 사이드 플레이트(370)와 제2 사이드 플레이트(372)가 각각 장착되어 있다. 제1 사이드 플레이트(360)와 제2 사이드 플레이트(362)는 전해질, 글래스, 글래스 세라믹으로 구성될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 제4 실시예의 고체산화물 연료전지는 공기극(340)들이 구성되어 있는 채널(316)들에 공기가 공급되고, 연료극(350)들이 구성되어 있는 채널(316)들에 연료로 수소가 공급된다. 공기와 연료는 통로(318)들, 공기극(240)들과 연료극(250)들을 따라 각각 지그재그형의 흐름을 갖는다. 제4 실시예의 고체산화물 연료전지는 최상층 단전지(300a)의 상면에만 단일의 커버 플레이트(330)가 장착되어 있다. 따라서 제4 실시예의 고체산화물 연료전지는 제3 실시예의 고체산화물 연료전지에서 단전지(200)들 각각에 커버 플레이트(230)가 구비되어 있는 것보다 간단한 구조로 제작된다.
도 10 내지 도 13에는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 제5 실시예가 도시되어 있다. 도 10 내지 도 13을 참조하면, 제5 실시예의 고체산화물 연료전지는 전해질 블록(410)을 구비한다. 전해질 블록(410)의 일측에 복수의 제1 채널(412)들이 형성되어 있으며 타측에 제1 채널(412)들 사이에 위치되도록 복수의 제2 채널(414)들이 형성되어 있다. 제1 채널(412)들과 제2 채널(414)들 사이를 구획하는 벽체부(416)들의 두께는 수십 ㎛으로 동일하게 형성되어 있다. 즉, 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 채널(412)들과 제2 채널(414)들 각각은 전해질 블록(410)의 양측에서 교번적으로 형성되어 그 단면이 지그재그형을 이루게 된다.
전해질 블록(410)의 일측에 제1 채널(412)들을 폐쇄하도록 제1 커버 플레이트(420)가 장착되어 있으며 타측에는 제2 채널(414)들을 폐쇄하도록 제2 커버 플레이트(430)가 장착되어 있다. 제1 커버 플레이트(420)들의 양측에 제1 채널(412)들의 양단과 연결되도록 제1 통로(422)와 제2 통로(424)가 형성되어 있다. 제2 커버 플레이트(430)들의 양측에 제2 채널(414)들의 양단과 연결되도록 제3 통로(432)와 제4 통로(434)가 형성되어 있다. 제1 및 제2 커버 플레이트(420, 430)는 전해질 블록(410)과 동일한 전해질, 글래스, 글래스 세라믹 등으로 구성될 수 있다.
또한, 제1 채널(412)들의 내면에 제1 채널(412)들을 따라 공기의 흐름을 유도할 수 있도록 공기극(440)들이 각각 형성되어 있고, 제2 채널(414)들의 내면에 제2 채널(414)들을 따라 연료의 흐름을 유도할 수 있도록 연료극(450)들이 각각 형성되어 있다. 공기극(440)들은 제2 채널(414)들의 내면에 형성되고, 연료극(450)들은 제1 채널(412)들의 내면에 형성될 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 제5 실시예의 고체산화물 연료전지의 작용을 도 12와 도 13에 의거하여 살펴보면, 제1 커버 플레이트(420)의 제1 통로(422)를 통하여 공급되는 공기는 제1 통로(422)를 통과하여 제1 채널(412)들의 일단에 분배되어 공급된다. 제1 채널(412)들의 일단에 공급되는 공기는 제1 채널(412)들을 따라 흘러 제2 통로(424)를 통하여 배출된다. 제2 커버 플레이트(430)의 제3 통로(432)를 통하여 공급되는 공기는 제3 통로(432)를 통과하여 제2 채널(414)들의 일단에 분배되어 공급된다. 제2 채널(414)들의 일단에 공급되는 공기는 제2 채널(414)들을 따라 흘러 제4 통로(434)를 통하여 배출된다.
본 발명에 따른 제5 실시예의 고체산화물 연료전지는 전해질 블록(410)의 양측에서 제1 및 제2 채널(412, 414)들 각각에 제1 커버 플레이트(420)의 제1 및 제2 통로(422, 424)와 제2 커버 플레이트(430)의 제3 및 제4 통로(432, 434)를 통하여 공기와 연료를 일괄적으로 공급할 수 있으므로, 공기와 연료의 공급 및 회수에 따 른 제어를 간편하게 실시할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지에 의하면, 전해질 블록에 채널들이 형성되고, 전해질 블록의 채널들 각각에 공기극과 연료극이 구성되는 구조에 의하여 단위체적당 전극 면적이 크게 증가되어 고효율을 구현할 수 있다. 공기극과 연료극 사이에 위치되는 전해질의 두께를 줄여 이온전도성을 크게 향상시킬 수 있으며, 저항이 감소되어 작동온도를 크게 낮출 수 있다. 또한, 단전지들의 적층에 의하여 구성되는 스택이 동종소재로 접합되어 열응력에 의한 파손이 방지되는 등 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 단전지와 스택의 구조가 간단하여 대용량의 발전 시스템을 소형화 및 경량화하여 시설할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 복수의 채널들이 형성되어 있으며 상기 채널들 각각에 연결되는 복수의 제1 통로들이 형성되어 있는 전해질 블록과, 상기 전해질 블록에 상기 채널들의 상부를 폐쇄하도록 장착되어 있고 상기 채널들 각각에 연결되는 복수의 제2 통로들이 형성되어 있는 커버 플레이트와, 상기 채널들 각각의 내면에 교번적으로 구성되어 있는 복수의 공기극들과 복수의 연료극들을 각각 구비하며, 적층되어 있는 복수의 단전지들과;
    상기 단전지들의 일측에 상기 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있는 제1 사이드 플레이트와;
    상기 단전지들의 타측에 상기 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있는 제2 사이드 플레이트로 이루어지는 고체산화물 연료전지.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제1 통로들과 상기 제2 통로들은 상기 단전지들 중 중첩되어 있는 상층 단전지와 하층 단전지의 상기 공기극들과 상기 연료극들 각각을 따라 공기와 연료 각각의 흐름을 지그재그형으로 유도하도록 배열되어 있는 고체산화물 연료전지.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 커버 플레이트, 상기 제1 사이드 플레이트와 상기 제2 사이드 플레이트는 전해질로 이루어지는 고체산화물 연료전지.
  6. 복수의 채널들이 형성되어 있으며 상기 채널들 각각의 양측 중 일측이 교번적으로 폐쇄되어 있는 전해질 블록과, 상기 전해질 블록에 상기 채널들의 상부를 폐쇄하도록 장착되어 있는 커버 플레이트와, 상기 채널들 각각의 내면에 교번적으로 구성되어 있는 복수의 공기극들과 복수의 연료극들을 각각 구비하는 최상층 단전지, 최하층 단전지와 하나 이상의 중간층 단전지와;
    상기 중간층 단전지의 일측에 상기 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있는 제1 사이드 플레이트와;
    상기 중간층 단전지의 타측에 상기 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있는 제2 사이드 플레이트로 이루어지고,
    상기 최상층 단전지와 상기 중간층 단전지 각각의 전해질 블록의 일측에 상기 채널들 각각에 연결되는 복수의 제1 통로들이 형성되어 있으며, 상기 중간층 단전지의 커버 플레이트의 일측에 상기 채널들 각각에 연결되는 복수의 제2 통로들이 형성되어 있는 고체산화물 연료전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제1 통로들과 상기 제2 통로들은 상기 최상층 단전지, 상기 최하층 단전지와 상기 중간층 단전지 각각의 공기극들과 연료극들을 따라 공기와 연료 각각의 흐름을 지그재그형으로 유도하도록 배열되어 있는 고체산화물 연료전지.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 커버 플레이트, 상기 제1 사이드 플레이트와 상기 제2 사이드 플레이트는 전해질로 이루어지는 고체산화물 연료전지.
  9. 복수의 채널들이 형성되어 있으며 상기 채널들 각각의 양측 중 일측이 교번적으로 폐쇄되어 있는 전해질 블록과, 상기 채널들 각각의 내면에 교번적으로 구성되어 있는 복수의 공기극들과 복수의 연료극들을 각각 구비하는 최상층 단전지, 최하층 단전지와 하나 이상의 중간층 단전지와;
    상기 최상층 단전지의 상부에 상기 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있는 커버 플레이트와;
    상기 중간층 단전지의 일측에 상기 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있는 제1 사이드 플레이트와;
    상기 중간층 단전지의 타측에 상기 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있는 제2 사이드 플레이트로 이루어지고,
    상기 최상층 단전지와 상기 중간층 단전지 각각의 전해질 블록의 일측에 상기 채널들 각각에 연결되는 복수의 통로들이 형성되어 있는 고체산화물 연료전지.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 통로들은 상기 최상층 단전지, 상기 최하층 단전지와 상기 중간층 단전지 각각의 공기극들과 연료극들을 따라 공기와 연료 각각의 흐름을 지그재그형으로 유도하도록 배열되어 있는 고체산화물 연료전지.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 커버 플레이트, 상기 제1 사이드 플레이트와 상기 제2 사이드 플레이트는 전해질로 이루어지는 고체산화물 연료전지.
  12. 일측에 복수의 제1 채널들이 형성되어 있으며, 타측에 상기 제1 채널들 사이에 위치되도록 복수의 제2 채널들이 형성되어 있는 전해질 블록과;
    상기 전해질 블록의 일측에 상기 제1 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있고, 양측에 상기 제1 채널들 각각의 양단과 연결되는 제1 통로와 제2 통로가 각각 형성되어 있는 제1 커버 플레이트와;
    상기 전해질 블록의 타측에 상기 제2 채널들을 폐쇄하도록 장착되어 있으며, 양측에 상기 제2 채널들 각각의 양단과 연결되는 제3 통로와 제4 통로가 각각 형성 되어 있는 제2 커버 플레이트와;
    상기 제1 채널들 각각에 형성되어 있는 복수의 공기극들과;
    상기 제2 채널들 각각에 형성되어 있는 복수의 연료극들로 이루어지는 고체산화물 연료전지.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제1 커버 플레이트와 제2 커버 플레이트는 전해질로 이루어지는 고체산화물 연료전지.
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