KR101353839B1

KR101353839B1 - 우수한 면압 균일성 및 내구성을 갖는 고체산화물 연료전지

Info

Publication number: KR101353839B1
Application number: KR1020120088839A
Authority: KR
Inventors: 양충모
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2014-01-21

Abstract

본 발명은 하부엔드판; 상부엔드판; 상기 하부엔드판 및 상부엔드판 사이에 구비되는 스택; 상기 하부엔드판과 상부엔드판을 연결하는 체결봉; 및 상기 하부엔드판과 상기 스택 사이 및 상기 상부엔드판과 상기 스택 사이 중 적어도 하나 이상의 위치에 구비되는 완충층을 포함하고, 상기 체결봉의 열팽창계수(K1), 상기 스택의 열팽창계수(K2) 및 상기 완충층의 열팽창 계수(K3)는 하기 식 1 및 2의 관계를 만족하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.
[식 1] K1>K2일 경우, K3>K1>K2
[식 2] K1<K2일 경우, K1<K2<K3
본 발명에 따르면, 연료전지 구동시 열변형에 의한 문제를 해결할 수 있어 우수한 면압 균일성 및 내구성을 확보한 고체산화물 연료전지를 제공할 수 있다.

Description

우수한 면압 균일성 및 내구성을 갖는 고체산화물 연료전지{SOLID OXIDE FUEL CELL HAIVNG EXCELLENT MAINTAINING SURFACE PRESSURE UNIFORMITY AND DURABILITY}

본 발명은 우수한 면압 균일성 및 내구성을 갖는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.

고체산화물 연료전지는 일반적으로 연료전지 중 가장 높은 온도에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 또한, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점 때문에 고체산화물 연료전지에 관한 연구는 현재 활발히 이루어지고 있다.

고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)는 전기화학적 에너지 변환장치로서, 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극 및 연료극으로 이루어진다. 공기극에서는 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되고, 이때, 연료극에서는 전자가 생성되고 공기극에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 되는 것이다.

그러나, 상기 공기극, 전해질 및 연료극을 기본으로 하는 단위전지 하나에서 발생하는 전력은 상당히 작기 때문에, 여러 개의 단위 전지를 적층(스택)하여 연료 전지를 구성함으로써 상당량의 전력을 출력시킬 수 있게 되고, 나아가 다양한 발전 시스템 분야에 적용할 수 있게 된다. 상기 적층을 위해서, 한 단위전지의 공기극과 다른 단위전지의 연료극은 전기적으로 연결되어야 할 필요가 있으며, 이를 위해 분리판(seperator)이 사용된다. 또한, 상기 공기극 또는 연료극과 분리판 사이에는 집전체(current collector)가 구비되어 공기극 또는 연료극이 분리판과 전기적으로 균일하게 접촉할 수 있게 한다. 또한, 상기 스택의 상하부에는 각각 상부 엔드판 및 하부 엔드판이 구비되고, 이 상부 및 하부 엔드판은 체결봉과 연결되어 볼트/너트를 통해 체결됨으로써 연료전지가 제조된다.

한편, 연료전지 특히, 대면적 평판형 연료전지의 경우 압력의 균일한 분배는 스택 전처리 및 운전시 성능과 안정성에 큰 영향을 미치는 요소로서, 이에 대한 정확한 제어가 필요하다. 도 1은 유압 실린더를 사용한 연료전지의 모식도이며, (a)는 상부 유압 실린더를 사용한 경우, (b)는 하부 유압 실린더를 사용한 경우이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 종래의 평판형 분리판을 이용한 연료전지(1)의 경우에는 하부구조물 또는 하부 엔드판(3) 위에 순차적으로 스택(5) 및 상부 엔드판(7) 또는 면압판이 적층되며, 적층 완료 후에는 유압 또는 공압 실린더 등의 면압 유지 장치(9)를 사용하여 상부 또는 하부에서 면압을 가하는 방법을 이용하고 있다. 이 때, 전처리를 위하여 800℃까지 온도를 올리거나 700~800℃의 운전조건까지 온도를 올리는 경우 연료전지의 각 구성요소는 각각의 소재 및 구조에 따른 열팽창을 겪게 된다. 또한 상부 또는 하부에서 유압이나 공압 실린더를 사용하는 경우에는 연료전지의 열팽창에 따라 높이 변화로 인하여, 상기 유압 또는 공압 실린더가 면압의 변화를 적정 수준으로 맞추어 주는 액티브 컨트롤(active control)을 해주지만, 제조 가격이 매우 높다는 단점이 있다.

한편, 전술한 열팽창에 따른 문제점을 해결하기 위해서 저온형 연료전지인 전해질형 연료전지(Proton Exchange Membrance Fuel Cell, PEMFC)의 경우에는 볼트/너트 부위에 스트링을 사용하여 면압을 조정하고 있다. 또한, 고온형 연료전지의 일종이긴 하지만 고체산화물 연료전지보다 작동온도가 낮은 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)의 경우에는 특수한 스프링을 이용하기도 한다. 하지만 고체산화물 연료전지의 작동온도에서 기능하는 스프링은 제작이 어려우며, 제작이 가능하더라도 제작비용이 높아 상용화되기는 곤란하다는 문제점이 있다.

이에 따라, 제조 가격이 낮으면서도 전술한 열팽창의 문제를 해소할 수 있는 연료전지의 개발이 시급히 요구되고 있다.

한국 공개특허공보 제2009-0034621호 한국 공개특허공보 제2005-0027696호

본 발명은 열변형에 따른 문제를 해결할 수 있는 우수한 면압 균일성 및 내구성을 갖는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.

본 발명은 하부엔드판; 상부엔드판; 상기 하부엔드판 및 상부엔드판 사이에 구비되는 스택; 상기 하부엔드판과 상부엔드판을 연결하는 체결봉; 및 상기 하부엔드판과 상기 스택 사이 및 상기 상부엔드판과 상기 스택 사이 중 적어도 하나 이상의 위치에 구비되는 완충층을 포함하고, 상기 체결봉의 열팽창계수(K1), 상기 스택의 열팽창계수(K2) 및 상기 완충층의 열팽창 계수(K3)는 하기 식 1 및 2의 관계를 만족하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.

[식 1] K1>K2일 경우, K3>K1>K2

[식 2] K1<K2일 경우, K1<K2<K3

본 발명에 따르면, 연료전지 구동시 열변형에 의한 문제를 해결할 수 있어 우수한 면압 균일성 및 내구성을 확보한 고체산화물 연료전지를 제공할 수 있다.

도 1은 유압 실린더를 사용한 연료전지의 모식도이며, (a)는 상부 유압 실린더를 사용한 경우, (b)는 하부 유압 실린더를 사용한 경우이다.
도 2는 체결봉 및 볼트/너트를 사용한 고체산화물 연료전지의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 3은 열팽창에 따른 연료전지의 면압 변화의 개념을 나타내는 단면도이며, (a)는 적정 면압이 유지되는 경우, (b)는 면압이 부족한 경우, (c)는 면압이 과다한 경우를 나타낸다.
도 4는 완충층의 삽입에 의한 체결봉과 스택간의 높이 변화 차이의 보정 효과를 나타내기 위한 모식도이며, (a)는 체결봉이 스택보다 높은 열팽창계수를 가질 경우를, (b)는 체결봉이 스택보다 낮은 열팽창계수를 가질 경우를 나타낸다.

도 2는 체결봉 및 볼트/너트를 사용한 고체산화물 연료전지의 일례를 나타내는 사시도이다. 이하, 도 2를 참조하여 본 발명을 설명한다.

도 2에 나타난 바와 같이, 체결봉 및 볼트/너트를 사용한 고체산화물 연료전지(10)는 하부엔드판(20), 상부엔드판(40), 상기 하부엔드판(20)과 상부엔드판(40) 사이에 구비되는 스택(30)과, 면압 및 체결 유지를 위해 상기 하부엔드판(20)과 상부엔드판(40)을 연결하는 체결봉(50)이 구비된다. 그리고 상기 체결봉(50)을 고정하기 위하여 볼트/너트(60)가 구비된다.

상기와 같이, 유압 또는 공압 실린더와 같은 능동형의 면압제어 장치를 가지지 않는 저가형 상용화 연료전지의 경우, 상부 및 하부 엔드판을 연결하는 체결봉의 길이가 변화하고 스택 내부의 높이가 변화하게 된다. 이 때, 온도의 변화에 따라 구성요소간의 열팽창 차이로 인하여, 상기 체결봉의 길이변화와 스택의 높이 변화에 차이가 발생한다. 이는 곧 면압의 변화로 나타나게 되어, 원하는 적정 수준의 면압 유지가 어려워지게 된다.

도 3은 열팽창에 따른 연료전지의 면압 변화의 개념을 나타내는 단면도이며, (a)는 적정 면압이 유지되는 경우, (b)는 면압이 부족한 경우, (c)는 면압이 과다한 경우를 나타낸다. 도 3 (a)에 나타난 바와 같이, 연료전지의 안정적인 구동이 이루어지기 위해서는 적정 수준의 면압이 균일하게 유지되어야 한다. 그러나, 스택과 체결봉간의 열팽창에 따른 변화에 차이가 있고, 이 때 스택에 비하여 체결봉의 길이가 더 크게 변화할 경우에는 도 3 (b)에 나타난 바와 같이 스택에 면압이 작게 작용하여 스택의 구성요소간의 전기적 접촉이 나빠지거나 밀봉재가 인장 응력을 받아 파손되어 가스 밀봉성이 떨어지는 문제가 발생한다. 이와는 반대로, 체결봉의 길이가 더 적게 변화하는 경우에는 스택에 면압이 과다하게 걸리게 되어 스택 내부의 구성요소를 파손하는 등의 문제가 발생한다.

전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 하부엔드판과 스택 사이 및 상부엔드판과 스택 사이 중 적어도 하나 이상의 위치에 완충층을 구비하는 고체산화물 연료전지를 제공한다. 상기 완충층은 고체산화물 연료전지의 구동시 체결봉과 스택의 열팽창 계수의 차이로 인한 길이 변화의 차이를 극복하기 위한 것이다.

도 4는 완충층의 삽입에 의한 체결봉과 스택간의 높이 변화 차이의 보정 효과를 나타내기 위한 모식도이며, (a)는 체결봉이 스택보다 높은 열팽창계수를 가질 경우를, (b)는 체결봉이 스택보다 낮은 열팽창계수를 가질 경우를 나타낸다. 앞서 언급한 바와 같이, 체결봉이 스택보다 높은 열팽창계수를 가질 경우에는 높이 변화의 차이에 의해 체결봉이 스택보다 더 많은 변형을 하게 되어 면압이 부족하게 되어 면압 균일성이 저하된다. 그러나, 본 발명은 스택의 하부에 완충층(70)을 삽입함으로써 도 4 (a)에 나타난 바와 같이, 높이 변화의 차이를 상기 완충층(70)이 보정해주는 역할을 함으로써 면압의 균일성을 확보할 수 있고, 이로 인해 연료전지의 내구성 또한 확보할 수 있다. 다만, 상기와 같이 체결봉이 스택보다 높은 열팽창계수를 가질 경우에는 완충층이 체결봉보다 높은 열팽창계수를 가져야 보정 효과를 확보할 수 있다. 반대로, 체결봉이 스택보다 낮은 열팽창계수를 가질 경우에는 높이 변화의 차이에 의해 스택이 체결봉보다 더 많은 변형을 하게 되어 면압이 과도해지는 현상이 나타나게 된다. 그러나, 본 발명은 도 4 (b)에 나타난 바와 같이 완충층 삽입에 의한 높이 차이의 보정 효과를 확보할 수 있으며, 이 경우에는 완충층의 열팽창계수가 체결봉이나 스택보다 낮아야 한다.

즉, 본 발명이 제공하는 연료전지는 구성요소 중 체결봉의 열팽창계수(K1), 스택의 열팽창계수(K2) 및 완충층의 열팽창 계수(K3)가 하기 식 1 및 2의 관계를 만족해야 한다.

[식 1] K1>K2일 경우, K3>K1>K2

[식 2] K1<K2일 경우, K3<K1<K2

또한, 상온에서의 스택의 높이를 H₀라고 하고, 상온에서의 완충층의 높이를 H라고 할 때, 주어진 K3에 대하여 승온시 면압을 일정하게 유지하기 위한 완충층의 높이 H, 또는 주어진 완충층의 높이 H에 대하여 승온시 면압을 일정하게 유지하기 위한 완충층의 열팽창 계수 K3는 하기 식 3 및 4와 같이 구해질 수 있다.

[식 3] K3>K1>K2일 경우, H = H₀(K₁-K₂)/(K₃-K₁), 또는 K₃ = K₁ + (K₁-K₂)H₀/H

[식 4] K3<K1<K2일 경우, H = H₀(K₂-K₁)/(K₁-K3), 또는 K₃ = K₁ - (K₂-K₁)H₀/H

본 발명에 적용될 수 있는 체결봉이나 스택은 그 종류를 다양하게 할 수 있고, 이에 따라 상기 체결봉이나 스택은 다양한 열팽창 계수를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명에 적용될 수 있는 완충층은 상기 식 1 및 2의 관계를 만족하는 것이라면 그 종류에 한정되지 않고 모두 사용될 수 있다. 또한, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 식 3 및 4를 이용하여, 체결봉과 스택의 열팽창계수를 고려하여 완충층의 종류 및 높이를 적절하게 설정할 수 있다. 예를 들면, 상기 식 1을 만족하는 완충층으로는 알루미늄 또는 스테인리스 304 등을 이용할 수 있고, 상기 식 2를 만족하는 완충층으로는 스테인리스 409L 또는 스테인리스 410L 등을 이용할 수 있다.

한편, 보통 단일 소재로 가공되는 즉, 열팽창이 온도변화에 선형적으로 비례하는 체결봉에 비하여, 여러 구성 요소의 적층구조로 이루어지는 스택의 경우에는 온도변화에 따른 열팽창이 비선형적으로 발생하기도 한다. 이러한 비선형적 열팽창 구조에 대응하기 위해서, 본 발명은 하부엔드판과 스택 사이 또는 상부엔드판과 스택 사이, 혹은 두 영역 모두에 완충층을 2개 이상 구비시킬 수 있으며, 이 때 상기 완충층들은 서로 다른 열팽창계수를 가질 수 있다. 이와 같이, 각기 다른 열팽창율을 갖는 다층 구조의 완충층을 삽입함으로써 스택과 체결봉간의 높이 변화 차이를 보완할 수 있다. 예를 들면, 연료전지를 구성하기 위한 스택과 체결봉의 종류 및 크기가 정해지게 되면 상기 스택과 체결봉의 열팽창계수의 차이에 따라 삽입되어야 할 완충층이 결정되어질 수 있다. 그러나, 상기 스택과 체결봉의 열팽창계수의 차이에 따른 높이 변화를 완벽하게 보정해줄 수 있는 완충층은 존재하지 않거나 비용이 높을 수 있다는 단점이 있다. 이는, 완충층의 열팽창계수 또한 재료 본래의 특성에 의해 결정되어지게 때문인데, 본 발명에서는 상기한 바와 같이, 완충층을 2개 이상 구비시키고, 이 때, 상기 완충층의 종류를 달리하여 즉, 서로 다른 열팽창계수를 갖도록 하여 스택과 체결봉의 열팽창계수의 차이에 따른 높이 변화의 보정 효과를 보다 향상시킬 수 있다. 물론, 열팽창계수가 다른 2개 이상의 완충층을 적용하더라도 상기 완충층은 전술한 식 1 및 2의 조건을 만족하는 것이 바람직하다. 상기 완충층의 종류 또는 개수는 체결봉 및 스택의 종류나 연료전지의 운전조건에 따라 달리될 수 있으므로 본 발명에서는 이에 대하여 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 과도한 반복 실험 없이 용이하게 선택하여 적용할 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명이 제공하는 고체산화물 연료전지는 완충층의 삽입에 의해 체결봉과 스택간의 열팽창계수의 차이에 따른 높이 변화 차이를 보정함으로써 면압이 일정하게 유지될 수 있으며, 이로 인해 안정적인 구동과 내구성을 확보할 수 있다. 또한, 유압 또는 공압 실린더 등과 같은 면압 유지 장치를 이용하지 않아도 되므로, 제조 비용을 저감시킬 수 있고, 재료 선택의 폭을 넓게 할 수 있어 양산화 과정에서 연료전지의 설계에 있어 다양성을 부여할 수 있다.

1 : 연료전지
3 : 하부 엔드판
5 : 스택
7 : 상부 엔드판
9 : 면압 유지 장치
10 : 연료전지
20 : 하부 엔드판
30 : 스택
40: 상부 엔드판
50 : 체결봉
60 : 볼트/너트
70 : 완충층

Claims

하부엔드판;
상부엔드판;
상기 하부엔드판 및 상부엔드판 사이에 구비되는 스택;
상기 하부엔드판과 상부엔드판을 연결하는 체결봉; 및
상기 하부엔드판과 상기 스택 사이 및 상기 상부엔드판과 상기 스택 사이 중 적어도 하나 이상의 위치에 구비되는 완충층을 포함하고,
상기 체결봉의 열팽창계수(K1), 상기 스택의 열팽창계수(K2) 및 상기 완충층의 열팽창 계수(K3)는 하기 식 1 및 2의 관계를 만족하는 고체산화물 연료전지.
[식 1] K1>K2일 경우, K3>K1>K2
[식 2] K1<K2일 경우, K1<K2<K3
청구항 1에 있어서,
상기 완충층은 2개 이상이며, 서로 다른 열팽창계수를 갖는 고체산화물 연료전지.