KR100727684B1 - 고체산화물 연료전지 모듈, 이를 이용한 연료전지 및 그제작방법 - Google Patents
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Abstract
제작이 쉽고 경제적이며, 밀봉이 용이하고 높은 전력밀도를 가지는 고체산화물 연료전지 모듈, 이를 이용한 연료전지 및 그 제작방법이 제공된다.
본 발명은, 제1 촉매재료로 이루어진 지지체; 상기 지지체의 내부에 유로가 형성된 제1 유체 흐름 부; 상기 지지체의 외면에 다수개의 돌기가 돌출 형성되고, 그 돌기들 사이에서 유로가 형성되는 제2 유체 흐름 부; 상기 지지체의 돌기들 상부 면을 제외한 외면에 피복되는 전해질 층; 상기 돌기들을 제외한 전해질 층의 상부 면에 형성되는 제2 촉매재료의 피복 층; 및 상기 돌기들의 상부 면에 피복되는 집전 층;들을 포함하는 고체산화물 연료전지 모듈과, 이를 이용한 연료전지 및 그 제작방법을 제공한다.
본 발명에 의하면 높은 전력밀도를 갖고, 제작이 쉬우며, 대량생산이 가능하여 제작 원가를 크게 줄일 수 있고 대용량의 연료전지를 얻을 수 있는 효과를 갖는다.
연료전지 모듈, 고체산화물 연료전지, SOFC, 전해질, 화학적 발전
Description
제 1도는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈을 제작하기 위한 지지체를 도시한 사시도.
제 2도는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈을 제작하기 위하여 상부 면에 사각형 돌기들을 형성한 지지체의 사시도.
제 3도는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈을 제작하기 위하여 상부 면에 긴 돌기들을 형성한 지지체의 사시도.
제 4도는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈을 도시한 사시도.
제 5도는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈을 도시한 단면도.
제 6도는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈들이 적층된 상태를 도시한 외관 사시도.
제 7도는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지를 도시한 일부 절개 사시도.
제 8도는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 작동 원리를 도시한 설명도.
제 9도는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 작동 원리를 도시한 단면도.
제 10도는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지를 도시한 측 단면도.
제 11도는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지를 도시한 평 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1.... 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈
5..... 지지체 7..... 격벽
10.... 제1 유체 흐름 부 12.... 유로
20.... 제2 유체 흐름 부 24.... 돌기
26.... 긴 돌출 부 28.... 공간
30a,30b... 밀봉 재 32.... 긴 돌기
34.... 유입구 36.... 배출구
38.... 긴 유로 40.... 전해질 층
50.... 피복 층 60.... 집전 층
65.... 지지막대
100... 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지
105... 케이싱 110.... 제1 커버
120a... 제2 커버 120b.... 제3 커버
122.... 입구 124.... 출구
140a,140b... 집전 판 142a,142b... 도선
150.... 제1 유체 공급 부 170.... 제2 유체 공급 부
180.... 가열 수단
본 발명은 고체산화물 연료전지 및 그 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 전극 및 가스 유로 일체형의 구조를 갖는 단위 연료전지 모듈을 제작하고, 상기 모듈을 상하로 적층하여 제작함으로써 별도의 가스 유로 층이나 다수의 집전 판들이 없어서 제작이 쉽고 경제적이며, 밀봉이 용이하고 높은 전력밀도를 가지는 고체산화물 연료전지 모듈, 이를 이용한 연료전지 및 그 제작방법에 관한 것이다.
현재 제 3세대 연료전지라 할 수 있는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC 라 함)는 열화학적으로 안정한 지르코니아계를 전해질로 이용하고, 여기에 연료 극과 공기 극이 부착되어 있는 형태로서 수소, 메탄, 메탄올 등의 연료가스를 개질 없이 사용할 수 있고 산화제를 공기 혹은 산소를 사용함으로써 고효율 저공해 차세대 발전방식으로 각광받는 분야이다.
이러한 SOFC는 전해질로서 이트리아(yttria)를 첨가하고 결정 구조의 안정화를 도모한 안정화 산화 지르코니늄(이하, YSZ 라 함)을 사용해 왔다. 이 재료는 산소이온의 전도성을 가지고 있지만, 이러한 도전성은 온도에 의존하며 900~1000℃의 범위에서 연료전지로서의 원하는 전도성을 얻을 수 있는 특징이 있다. 이 때문에 SOFC의 운전 온도는 통상 900~1000℃이며, 전극재료도 이와 같은 고온에 견디기 위해 세라믹종류의 물질이 사용되고 있고 일반적으로 연료전지 모듈(single cell) 전체가 세라믹 재료로 구성된다.
그러나, 상술한 YSZ 전해질의 이온전도율은 1000℃에서도 기껏해야 0.1S/cm 정도로 셀을 제조할 때는 YSZ에 의한 내부 저항을 최소화하기 위해서 기공이 없이 밀도가 높은 박막(10~30㎛) 전해질 층을 코팅해야 한다.
종래의 평판형 SOFC 에 있어서는 전해질 평판을 지지체로 하여 판의 앞 뒷면을 각각 공기 극, 연료 극으로 코팅하는 평판형 SOFC가 개발 진행되고 있으며 공기극과 연료극 사이를 연결하는 연결 재(interconnection)에 연료 및 공기 유로를 형성하여 연료전지 모듈을 구성하고 있다. 이러한 평판형 연료전지 모듈의 경우 YSZ가 공기극과 연료극의 지지체가 되기 위해서는 충분한 기계적 강도를 가져야 하는데 YSZ 종류 중에서 높은 이온전도성을 갖는 8-YSZ(이트리아를 8몰% 첨가한 지르코니아)는 기계적 강도가 약하다.
따라서 평판형 SOFC의 경우에는 지지체인 전해질 층을 두껍게 해야 할 필요가 있고, 따라서 전해질 내부로부터의 내부저항에 의한 전압강하가 늘어나게 되어 연료전지 모듈 성능을 떨어뜨리는 문제가 생겨난다. 또한 평판형 방식에서는 셀(cell) 상하의 가스혼합을 막기 위해 셀 가장자리 부위의 모든 부분에 밀봉(seal) 이 필요하다.
종래에는 밀봉 재료로 유리(glass) 종류가 많이 사용되어 왔는데 이러한 유리계 재료의 연화 온도는 600℃정도부터 시작되고 승온 중의 열팽창에 의해서 각각의 연료전지 모듈 사이에 무리한 힘이 가해져서 가스누출의 위험도 높으며, 심한 경우 연료전지 모듈의 파손을 가져올 우려도 있어서 실용화를 위해서는 많은 개선이 필요한 실정이다.
이러한 평판형 셀(cell)의 기계적 강도의 부족을 보충하기 위해서 원통형 셀이라고 불리는 방식이 미국 특허 US 6207311 B1와 US 6248468 B1에 제시되고 있다.
이와 같은 종래의 원통형 셀은 평판형 셀 구조에 비하여 스택 자체의 전력밀도는 다소 떨어지나 강도 면과 가스 밀봉 면에서 월등하게 유리하다. 이 방식은 산화 지르코늄 등으로 구성되는 다공성 지지체 튜브 위에 공기 극, 고체 전해질, 연료 극, 집전 층의 순으로 각 재료를 적층하여 단위 연료전지를 구성하는 것이다.
따라서 전지 사이에 기체 밀봉제가 필요하지 않으며 이로 인해 평판형 셀에서 발생하는 세라믹 밀봉의 문제점이 발생되지 않는다. 또한 각각의 전지가 견고한 지지체 위에 형성되어 있고 연료전지 자체가 튼튼한 세라믹 구조를 이루고 있으며 열팽창에 의한 저항력이 우수하다. 그리고 환원성 분위기에서 전지와 전지 사이의 접촉이 이루어지므로 금속 연결 재(interconnect) 사용이 가능하다.
하지만, 연료전지는 용량 증대를 위해서는 연료전지 모듈 하나만을 사용할 수는 없으며 연료전지 모듈을 직렬 혹은 경우에 따라서 병렬에 접속하여 스택(stack)을 구성하게 된다. 그러나 상기와 같은 원통형 셀은 연료전지 모듈을 복수로 연결하여 스택을 이루는 경우, 발전전류가 얇은 전극 면을 따라 흐르기 위해 전류의 경로가 길어지게 되고 그 결과 전지 전체의 내부저항이 증가되는 문제가 생긴다.
또한 연료전지 모듈(1) 들을 적층을 할 때, 원통형 셀의 내 외부에 불필요한 공간이 많이 생겨나기 때문에 단위부피당 전력밀도에 한계가 생기는 단점이 있다.
최근에는 상기와 같은 평판형 셀 및 원통형 셀의 SOFC가 갖고 있는 문제점들을 해결하기 위하여 연료전지 모듈(1) 자체에 평판형 셀 구조와 원통형 셀 구조를 함께 갖도록 함으로서 평판형 셀의 밀봉문제를 해결하고, 동시에 전력 밀도도 높이기 위한 몸체형(flat tube type) 구조와 이에 따른 스택 연구 및 개발이 대한민국특허공개 10-2005-0021027와 미국 특허 US 6416897 및 US 6429051에서 이루어지고 있다.
그러나 이 경우도 적층을 하기 위해서는 공기 또는 연료극 가스를 도입시키기 위한 가스 유로와 전기적 연결재가 필수적으로 도입된다. 이는 스택의 기계적 강도를 증가시키고 연료전지 모듈 간의 접촉면적을 넓혀 전력밀도를 증가시키지만, 연결재 재료가 금속인 특성상 고온운전 시 세라믹 연료전지 모듈 와의 열팽창 차에 의해 열 응력이 발생하는 문제점이 있다. 또한 고온에서 장기간 운전시에도 전기적 물성이 변하지 않는 연결재 소재를 사용하므로 가격이 증가하며 스택의 부피 및 무게도 증가하는 문제점이 생긴다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 평판형 및 원통형 고체 산화물 연료전지가 가지고 있는 제반 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 그 목적은 제작이 쉽고 경제적이며, 밀봉이 용이하고 원통형 셀의 장점을 가지면서도 높은 전력밀도를 가지는 고체산화물 연료전지 모듈, 이를 이용한 연료전지 및 그 제작방법을 제공함에 있다.
그리고 본 발명의 다른 목적은 연료 및 공기의 원활한 공급을 위한 별도의 가스 유로 층이나 전기적 연결을 위한 집전 층의 사용을 생략할 수 있음으로써 구조가 간단하고 제작이 용이하며 간편한 장점이 있어서 대량생산이 가능한 고체산화물 연료전지 모듈, 이를 이용한 연료전지 및 그 제작방법을 제공함에 있다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 그 제조 비용을 획기적으로 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 전극 내부의 저항이 적어서 획기적으로 전력밀도를 크게 상승시킬 수 있으며, 전력밀도의 감소 없이 대형화 및 대용량화를 이룰 수 있는 고체산화물 연료전지 모듈, 이를 이용한 연료전지 및 그 제작방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연료가스와 공기를 이용하여 전기를 발생시키는 연료전지 모듈에 있어서,
제1 촉매재료로 이루어진 지지체;
상기 지지체의 내부에 유로가 형성된 제1 유체 흐름 부;
상기 지지체의 외면에 다수개의 돌기가 돌출 형성되고, 그 돌기들 사이에서 유로가 형성되는 제2 유체 흐름 부;
상기 지지체의 돌기들 상부 면을 제외한 외면에 피복되는 전해질 층;
상기 돌기들을 제외한 전해질 층의 상부 면에 형성되는 제2 촉매재료의 피복 층; 및
상기 돌기들의 상부 면에 피복되는 집전 층;들을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.
그리고 본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 연료가스와 공기를 이용하여 전기를 발생시키는 연료전지에 있어서,
중공형의 케이싱;
상기 케이싱의 내부에서 적층되고, 제1 촉매재료로 이루어진 다수의 지지체 내부를 통하여 제1 유체 흐름 부가 형성되며, 상기 각각의 지지체 외부를 통하여 제2 유체 흐름 부가 형성되고, 상기 각각의 지지체의 외면에는 전해질 층과 제2 촉매재료의 피복 층 및 집전 층들이 형성되어 적층되는 다수의 연료전지 모듈;
상기 연료전지 모듈의 제1 유체 흐름 부로 제1 유체를 공급하도록 상기 연료전지 모듈에 연결된 챔버들을 구비한 제1 유체 공급 부;
상기 연료전지 모듈의 제2 유체 흐름 부로 제2 유체를 공급하도록 상기 연료전지 모듈에 연결된 챔버들을 구비한 제2 유체 공급 부; 및
상기 연료전지 모듈들을 반응온도로 가열하기 위한 가열 수단;을 포함하고,상기 제1 유체는 연료가스 또는 공기 중의 어느 하나이고, 상기 제2 유체는 연료가스 또는 공기 중의 나머지 하나인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.
또한 본 발명은 바람직하게는 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 연료가스와 공기를 이용하여 전기를 발생시키는 연료전지 모듈의 제작방법에 있어서,
내부에 제1 유체 흐름 부의 유로가 형성된 제1 촉매재료로 이루어진 지지체를 준비하는 단계;
상기 지지체의 외면을 가공하여 다수개의 돌기들을 형성하고 그 사이에서 제2 유체 흐름 부의 유로가 형성되도록 하는 단계;
상기 지지체의 돌기들 상부 면을 제외한 외면에 전해질 층을 피복하는 단계;
상기 돌기들을 제외한 전해질 층의 상부 면에 제2 촉매재료의 피복 층을 형성하는 단계; 및
상기 돌기들의 상부 면에 집전 층을 피복하는 단계;들을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈 제작방법을 제공한다.
그리고 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈은, 상기 지지체가 긴 직육면체 모양의 단면을 한 사각형 몸체 내부에 다수의 격벽을 설치하여 내부에 복수의 가스 유로가 형성되고, 상기 몸체의 상부면에 다수의 돌기 들을 형성시키고 상기 몸체를 적층함으로써 상기 돌기들 사이에서 유로를 형성한다.
또한 상기 지지체는 음극 또는 양극을 이루는 촉매 재료를 사용하여 압출기(extrusion machine)에서 압출성형, 소성 함으로써 쉽게 제조가능한 것이다.
그리고 상기 고체 산화물 연료전지 모듈은 상기 지지체에 차례로 전해질 층, 상기 지지체를 이루는 촉매재료와는 반대 극을 이루는 촉매 피복 층 및 집전 층을 이루는 금속재료들을 얇게 피복 함으로써 완성된다.
또한 본 발명의 고체산화물 연료전지는 상기 케이싱의 내부에서 적층되고, 제1 촉매재료로 이루어진 다수의 지지체 내부를 통하여 제1 유체 흐름 부가 형성되며, 상기 각각의 지지체 외부를 통하여 제2 유체 흐름 부가 형성되고, 상기 각각의 지지체의 외면에는 전해질 층과 제2 촉매재료의 피복 층 및 집전 층들이 형성된 다수의 연료전지 모듈들을 적층하여 이루어지고, 상기 제1 유체 흐름 부와 제2 유체 흐름 부들은 서로 교차하는 방향으로 배치되어 가스 흐름이 이루어지는 것이다.
그리고 본 발명의 고체산화물 연료전지는 지지체 내부의 격벽 사이에 형성된 유로를 갖는 제1 유체 흐름 부가 공기 극 또는 연료 극의 가스 유로 역할을 할 수 있고, 지지체 상부 면에 형성된 돌기 사이의 유로를 갖는 제2 유체 흐름 부가 연료전지 모듈을 적층 했을 때, 반대 극의 가스 유로 역할을 하게 되어 별도의 가스 유로가 필요가 없고, 집전 층도 얇게 피복을 할 수가 있어서 열 응력에 강하고 스택의 제조가 매우 단순 용이하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 대해 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈(1)은 제1 촉매재료로 이루어진 지지체(5)를 구비한다. 상기 지지체(5)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 자체의 구조체로서 역할을 수행하면서, 동시에 공기 극(양극) 또는 연료 극(음극)의 역할을 하도록 된 촉매 재료로 압출 성형된 것이다.
상기 공기 극(양극)의 촉매 재료로는 예를 들면 LSM(LaSrMnO3)가 사용 가능하고, 연료 극(음극)의 촉매 재료로는 예를 들면 Ni/YSZ(cermet)이 사용가능하며, 여기서 YSZ은 이트리아 안정화 지르코니아이다.
상기에서 공기 극과 연료 극의 촉매 재료들은 단지 예시적인 것이며, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 다양한 다른 촉매 재료들을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 지지체(5)는 그 내부에 다수의 격벽(7)을 구비하여 유로(12)가 형성되고 제1 유체 흐름 부(10)를 구성한다. 상기 제1 유체 흐름 부(10)의 유로(12)에는 상기 지지체(5)가 공기 극의 촉매재료로 형성되는 경우에는 공기가 흐르게 되고, 연료 극의 촉매 재료로 이루어지는 경우에는 연료 가스가 흐른다.
상기 지지체(5)는 그 내부의 가스 유로(12)들이 허니컴 형상을 이루고, 그 가스 유로(12)의 모양은 가스가 균일하게 흐를 수가 있으면 어떤 형태이든 상관없으나 강도를 위해 정사각형 또는 직사각형이 바람직하며, 그 내경 크기는 0.1-10 mm 사이, 더 바람직하게는 1-3 mm 사이이고, 상기 유로(12) 사이의 격벽(7)의 두께는 0.1-5mm 사이, 보다 바람직하게는 1-3mm 사이이다.
상기에서 지지체(5) 내에 형성되는 제1 유체 흐름 부(10)의 유로(12)들은 그 단면 형상이 상기에서 비록 정사각형 또는 직사각형의 단면으로 도시되었지만 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 즉, 상기 지지체(5)가 긴 관의 형상을 유지시키고, 제1 유체 흐름 부(10)의 가스 유로(12)를 지지체(5) 내부에 형성하는 구조이라면 그 어떠한 형상이라도 무방하며 본 발명은 다양한 형태의 제1 유체 흐름 부(10)의 유로(12)들을 포함하는 것이다.
또한 상기 지지체(5)는 외면에 다수개의 돌기(24)가 돌출 형성되고, 그 돌기(24)들 사이에서 유로(22)가 형성되는 제2 유체 흐름 부(20)를 형성한다. 상기 제2 유체 흐름 부(20)를 형성하기 위한 돌기(24)들은 도 2에 도시된 바와 같이, 예를 들면 지지체(5) 상부의 긴 돌출 부(26)들을 각각 연마 제거하여 형성할 수 있다.
상기 각각의 돌기(24)들은 상기 지지체(5)를 적층하여 스택(Stack)을 형성할 경우, 그 상부의 연료전지 모듈(1)과의 전기적 연결을 이어주는 전기적 연결재의 역할과 함께, 각 돌기(24)들 사이의 공간으로 연료들이 공급될 수 있는 제2 유체 흐름 부(20)의 유로(22)를 만들어주는 역할을 동시에 한다.
한편 상기 지지체(5)는 그 상부 측의 중앙에 돌기(24)들이 집중적으로 형성된 것이고, 그 중앙의 양측으로는 돌기(24)들이 형성되지 않은 공간(28)을 형성한다.
상기에서 돌기(24)는 그 높이가 0.1-10 mm, 폭이 0.1-10mm 이며, 바람직하게는 각각 1-3mm, 1-3mm 이며 상기 돌기(24)들 사이의 거리는 0.1-10mm 이고, 바람직하게는 1-5mm 가 좋다.
그리고, 도 3에 도시된 바와 같이 지지체(5) 부분 중에서 돌기(24)가 없는 양측 상부면 공간(28)들은 이후에 설명되는 연료전지(100)의 가열수단 외부에 위치하는 부분이다.
이와 같은 지지체(5)의 양측 부분 공간(28)은 가스의 밀봉을 쉽게 하고 가스 공급을 용이하게 하기 위한 부분으로서, 도 3에 도시된 바와 같이 제2 유체 흐름 부(20)를 통하여 흐르는 가스의 측 방향 밀봉(side sealing)을 위해 추가적인 밀봉 재(30a)(30b)를 설치할 수도 있다.
상기 지지체(5)에서 돌기(24) 부분은 본 지지체(5)의 단위 연료전지 모듈(1)을 형성하고 운전하는 경우, 가열 수단(180)을 이루는 고온 로(furnace) 내에서 산화, 환원 반응에 의해 전기 화학적으로 전류를 만들어 내는 부분이다.
상기 지지체(5)에서 돌출된 돌기(24)들의 모양은 도 2에서 도시된 사각형 단면의 육면체뿐만 아니라, 상기와 같은 돌기(24)의 기능을 수행하는 형태이면 그 돌기(24)의 모양, 크기, 높이가 다른 어떤 것이라도 상관없다.
도 3에는 상기 돌기(24)의 다른 변형 형태가 도시되어 있다. 즉 이와 같은 변형 구조는 도 2에 도시된 바와 같이, 각각 짧은 크기의 돌기(24)들과 다르게 다수 개의 긴 돌기(32)들이 상기 지지체(5)의 상부에 나란하게 형성된 구조이다. 이와 같은 긴 돌기(32)들은 일측에 유입구(34)가 형성되고 타측에 배출구(36)가 형성되며, 이러한 유입구(34)와 배출구(36)들은 그 사이에서 상기 긴 돌기(32)들에 의해서 형성되는 하나의 긴 유로(38)를 형성한다.
이와 같은 긴 유로(38)는 유입구(34)로부터 배출구(36)로 향한 방향이 제1 유체 흐름 부(10)의 유로(12)의 흐름 방향과는 직교하는 방향으로 형성된 것이다.
상기 긴 돌기(32)들은 도 2에 도시된 돌기(24)들과 단지 형상만 다르고 대부분 동일한 기능을 하므로 이하에서는 돌기(24)에 관하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 그렇지만 이하에서 설명되는 부분은 모두 상기 긴 돌기(32)에도 적용 가능한 것임은 물론이다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈(1)은 상기 지지체(5)의 돌기(24)들 상부 면을 제외한 외면에 피복되는 전해질 층(40)을 구비한다.
상기와 같이 본 발명은 지지체(5)를 완성한 후, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 지지체(5)의 외 표면에 연료전지(100)의 전해질 층(40)을 이루는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를 균일하게 피복한다. 이와 같은 경우 상기 전해질 층(40)은 상기 지지체(5)의 돌기(24) 부분의 상면이 전지적 통로역할을 해야하므로 상기 돌기(24) 부분의 상면을 제외한 모든 면에 치밀하게 피복된다.
그리고 상기 돌기(24)들을 제외한 전해질 층(40)의 상부 면에는 제2 촉매재료의 피복 층(50)이 형성된다. 상기 피복 층(50)은 지지체(5)를 형성하는 촉매 재료와는 반대 극성의 촉매 재료로 이루어지는 것으로서, 상기 전해질 층(40) 위에서 돌기(24) 부분의 상단 면과 일부 옆면을 제외한 전체 외 표면에 피복된다.
즉 상기 지지체(5)가 공기 극의 촉매재료로 이루어진 경우라면, 상기 피복 층(50)은 연료 극의 촉매재료로 이루어지고, 상기 지지체(5)가 연료 극의 촉매재료로 이루어지면, 상기 피복 층(50)은 공기 극의 촉매재료로 이루어지는 것이다.
또한 본 발명은 상기 돌기(24)들의 상부 면에 집전 층(60)들이 피복 형성된다. 상기 집전 층(60)은 돌기(24) 부분의 상면에 연료전지 모듈(1)들을 적층하기 위해 필요한 연결재(interconnection)를 피복하는 부위로 될수록 얇게 그리고 가스가 새어나오지 못하도록 치밀하게 피복이 이루어진다.
따라서 상기 집전 층(60)은 금속 입자를 이용하여 피복한 후 열 소성(thermal sintering) 처리를 하거나, 또는 금속화합물을 이용한 화학증착법(CVD, chemical vapor deposition)을 사용하여 피복하며, 전해질 층(40)과 연결되어 가스가 전해질 층(40)과 집전 층(60) 사이로 새어 나와서는 안되도록 치밀하게 피복되어야 한다.
상기 집전 층(60)의 재료는 전기전도성을 가지고 연료전지(100)의 운전온도에서 장기 열적 안정성을 가짐과 동시에 기체투과성이 없는 물질을 사용하여, 연료전지 모듈(1)의 적층 연결을 이룰 수 있게 한다.
또한 상기 집전 층(60)은 상기와 같은 기능이 완성될 수 있는 재료이면 그 성분에는 관계없고 본 발명은 다양한 재료를 포함할 수 있다.
그리고 상기 전해질 층(40), 피복 층(50) 및 집전 층(60)의 두께는 1000 ㎛ 이하, 보다 바림직하게는 200 ㎛ 이하인 것이 좋다.
상기에서 전해질 층(40)과 집전 층(60)은 서로 맞 닫거나 중복으로 피복되어져서 서로 다른 두 가스, 즉 공기와 연료 가스들이 서로 혼합되지 말아야 하고, 집 전 층(60)과 피복 층(50)은 서로 닫지 않게 피복되어 전기적으로 절연되는 것이다.
한편 상기와 같은 본 발명에 따른 연료전지 모듈(1)은 각각 도 6에 도시된 바와 같이, 적층 번들(bundle)을 이루어 스택(Stack) 구조를 가져서 연료전지(100)를 구성한다. 도 6에 도시된 구조는 다수의 연료전지 모듈(1)들을 좌우로 평행하게 배열, 안착시켜 보다 큰 대용량의 스택을 구성한 모습을 나타낸 것이다.
상기 적층된 연료전지 모듈(1)들 사이에 위치된 지지막대(65)들은 상하 적층된 연료전지 모듈(1)들을 좌우 방향에서 고정시키는 역할과 동시에, 상하로 적층된 연료전지 모듈(1)들을 좌우방향으로 이격시켜서 전기적으로 단절시키는 스페이서(spacer) 역할을 하는 것이다.
따라서 이와 같은 지지막대(65)들은 전기전도성이 없고 고온에서도 기계적 강도를 가지는 재질로 제작될 수 있으며, 그 형상과 성분에 관해서는 상기의 기능이 달성되는 한 그 어떤 것이든 무관하며 본 발명에 포함되는 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따른 연료전지 모듈(1)을 적층 구성한 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지(100)는 연료가스와 공기를 이용하여 전기를 발생시키게 된다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지(100)는 중공형의 케이싱(105)을 갖추는 바, 상기 케이싱(105)은 도 7에 도시된 바와 같이, 적층된 연료전지 모듈(1)의 돌기(24)들이 형성된 중앙 부분을 에워 싸서 외부와 차폐시키는 제1 커버(110)와, 상기 제1 커버(110)의 양측에서 상기 적층된 연료전지 모듈(1)의 각각의 단부들을 에워 싸서 외부와 차폐시키는 제2 커버(120a) 및 제3 커버(120b)들을 포함한다.
상기 제1 커버(110)는 그 양측단이 적층된 연료전지 모듈(1)의 밀봉재(30a)(30b) 측에 위치되고, 일측으로는 상기 적층된 연료전지 모듈(1)들의 제2 유체 흐름 부(20)들로 연료가스 또는 공기를 공급하기 위한 입구(112)가 형성되며, 그 반대측으로는 출구(114)가 형성된다.
그리고 상기 제2 커버(120a)와 제3 커버(120b)는 각각 상기 적층된 연료전지 모듈(1)의 측방 단부들을 에워 싸는 밀봉형의 구조를 갖추고, 이들 중의 어느 하나는 상기 적층된 연료전지 모듈(1)의 제1 유체 흐름 부(10)로 공기 또는 연료 가스를 공급하기 위한 입구(122)가 형성되며, 그 반대측으로는 출구(124)가 형성된다.
또한 상기 케이싱(105)의 내부에 적층된 다수의 연료전지 모듈(1)들은 각각 제1 촉매재료로 이루어진 다수의 지지체(5) 내부를 통하여 다수의 제1 유체 흐름 부(10)가 형성되며, 상기 각각의 지지체(5) 외부를 통하여 다수의 제2 유체 흐름 부(20)가 형성되고, 상기 각각의 지지체(5)의 외면에는 전해질 층(40)과 제2 촉매재료의 피복 층(50) 및 집전 층(60)들이 형성되어 중첩된 것이다.
그리고 이와 같이 상기 케이싱(105)의 내부에 적층되는 다수의 연료전지 모듈(1)은 적층된 연료전지 모듈(1)들로부터 전기를 집전하기 위한 집전 판(140a)(140b)들을 상하에 구비하며, 상부측 집전 판(140a)은 가장 상부 측에 배치된 연료전지 모듈(1)의 집전 층(60)들에 전기적으로 접촉하고, 하부측 집전 판(140b)은 가장 하부측에 배치된 연료전지 모듈(1)의 피복 층(50)에 전기적으로 접촉되며, 이들 집전 판(140a)(140b)들은 각각 도선(142a)(142b)을 통하여 외부로 직류를 인출할 수 있는 것이다.
그리고 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지(100)는 상기 연료전지 모듈(1)들의 제1 유체 흐름 부(10)들로 제1 유체를 공급하도록 된 챔버들을 구비한 제1 유체 공급 부(150)를 구비한다. 상기 제1 유체 공급 부(150)는 도 9에 도시된 바와 같이, 적층된 연료전지 모듈(1)의 양측에 배치된 제2 커버(120a)와 제3 커버(120b)들을 포함한다.
이와 같은 제1 유체 공급 부(150)는 케이싱(105)의 일부를 이루는 제2 커버(120a)와 제3 커버(120b)들이 각각 상기 적층된 연료전지 모듈(1)의 단부들을 에워 싸는 밀봉형의 구조를 갖추고, 이들은 상기 적층된 연료전지 모듈(1)들의 제1 유체 흐름 부(10)들을 통하여 서로 그 내부 챔버들이 연통된 구조이다.
따라서, 상기 제2 커버(120a)와 제3 커버(120b)들은 어느 하나가 내부 챔버로 공기 또는 연료 가스를 공급하기 위한 입구(122)가 형성되면 다른 하나는 출구(124)를 형성한다. 만일 제2 커버(120a)가 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 유체 공급 부(150)를 위한 입구(122)를 형성하는 경우라면, 제2 커버(120a)의 입구로부터 적층된 연료전지 모듈(1)들의 제1 유체 흐름 부(10)들을 통하여 제3 커버(120b)의 출구(124)로 향하여, 또는 그와는 반대로 제3 커버(120b)가 제1 유체 공급 부(150)의 입구를 형성하는 경우라면, 제3 커버(120b)로부터 제2 커버(120a) 측으로 향하여 제1 유체인 공기 또는 연료가스가 흐르게 된다.
상기에서 제1 유체가 공기이면, 이후에 설명되는 제2 유체는 연료가스이고, 상기 제1 유체가 연료가스이면 제2 유체는 공기이다.
그리고 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지(100)는 상기 연료전지 모듈(1)들의 제2 유체 흐름 부(20)들로 제2 유체를 공급하도록 상기 연료전지 모듈(1)에 연결된 챔버들을 구비한 제2 유체 공급 부(170)를 구비한다.
상기 제2 유체 공급 부(170)는 도 7에 도시된 바와 같이, 적층된 연료전지 모듈(1)들의 돌기(24)들이 형성된 부분을 에워 싸서 외부와 차폐시키는 제1 커버(110)를 포함한다.
상기 제1 커버(110)는 케이싱(105)의 일부를 구성하는 것으로서 그 양측단이 적층된 연료전지 모듈(1)의 밀봉재(30a)(30b) 측에 위치되고, 일측으로는 상기 적층된 연료전지 모듈(1)들의 제2 유체 흐름 부(20)로 연료가스 또는 공기를 공급하기 위한 입구(112)가 형성되며, 그 반대측으로는 출구(114)가 형성된 구조이다.
이와 같은 제2 유체 공급 부(170)는 상기 제1 커버(110)가 상기 적층된 연료 전지 모듈(1)들의 돌기(24)들을 에워 싸는 밀봉형의 구조를 갖추고, 이들은 상기 적층된 연료전지 모듈(1)들의 제2 유체 흐름 부(20)들을 통하여 상기 입구(112)와 출구(114) 측의 챔버들이 서로 연통된 구조이다.
따라서, 상기 입구(112)측의 내부 챔버로 연료 가스 또는 공기가 유입되면 상기 적층된 연료전지 모듈(1)들의 제2 유체 흐름 부(20)들을 통하여 상기 출구(114)로 향하여 제2 유체인 연료가스 또는 공기가 흐른다.
상기에서 제2 유체가 공기이면, 제1 유체는 연료가스이고, 상기 제2 유체가 연료가스이면 제1 유체는 공기이다.
이와 같은 과정에서 상기 제1 유체 공급 부(150)의 입구(122) 측에 형성된 챔버와 제2 유체 공급 부(170)의 입구(112) 측에 형성된 챔버들은 각각 공기 또는 연료 가스들이 적층된 연료전지 모듈(1)의 제1 유체 흐름 부(10)와 제2 유체 흐름 부(20)들을 통하여 균등하게 공급 및 배출되기 위한 분배 공간을 형성한다.
또한 본 발명은 상기 연료전지 모듈(1)들을 반응온도로 가열하기 위한 가열 수단(180)을 포함하는 바, 상기 가열 수단(180)은 상기 케이싱(105)의 제1 커버(110) 외측에 배치된 열원으로 이루어지고, 상기 제1 커버(110)를 통하여 그 내부 공간을 1000℃의 반응 온도로 가열시킨다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지(100)를 제작하기 위해서는 본 발명 의 연료전지 모듈(1)을 제작하여야 한다.
먼저 본 발명에 따른 연료전지 모듈(1)의 제작방법은 내부에 제1 유체 흐름 부(10)의 유로(12)가 형성된 제1 촉매재료로 이루어진 지지체(5)를 준비하는 단계가 이루어진다.
이는 단면이 긴 직육면체로 된 사각 몸체 (Flat tube) 내부에 다수의 격벽(7) 을 넣어 하니콤(Honeycomb) 형태의 내부 가스 유로(12)을 갖는 제1 유체 흐름 부(10)를 형성하고, 상기 지지체(5) 외부면 상단에는 도 1에 도시된 바와 같이, 일정한 넓이와 높이의 돌출부(26)들을 길이 방향으로 평행하게 형성시켜 제조하는 것으로 시작한다.
이러한 돌기형 (protuberant type) 지지체(5)는 일반 압출기를 이용하여 압출 성형 및 소성에 의해서 쉽게 제조가 가능하다.
그 다음 본 발명은 상기 지지체(5)의 돌출부(26)들을 가공하여 다수개의 돌기(24)들을 형성하고 그 사이에서 제2 유체 흐름 부(20)의 유로(22)가 형성되도록 하는 단계가 이루어진다.
이는 상기 돌출부(26)들의 길이 방향의 양 측단 일정 길이를 제거하여 밀봉재(30a)(30b)가 위치되는 평탄 부 또는 공간(28)을 형성하여 밀봉 재(30a)(30b)들을 부착하여 가스 밀봉 부를 만들고, 지지체(5)의 중앙부에는 돌출부(26)들을 일정한 페턴으로 제거하여 그 사이에서 제2 유체 흐름 부(20)를 형성하되, 이를 통하여 흐르는 제2 유체는 상기 제1 유체 흐름 부(10)를 통하여 흐르는 제1 유체의 흐름 각도에 대해 직교하는, 즉 90도 각도로 유입이 될 수 있도록 하여 제1 및 제2 유체들의 혼합을 원천적으로 방지한다.
그리고 다음으로는 상기 지지체(5)의 돌기(24)들 상부 면을 제외한 외면에 전해질 층(40)을 피복하는 단계가 이루어진다. 상기 전해질 층(40)은 상기 돌기(24)의 상단 면을 제외한 지지체(5) 전체 외 표면에 피복되고 소성처리되어 형성된다.
또한 다음으로는 상기 돌기(24)들을 제외한 전해질 층(40)의 상부 면에 제2 촉매재료의 피복 층(50)을 형성하는 단계가 이루어진다. 상기 단계는 돌기(24)의 상단부, 즉 상부면 및 측면 일부를 제외한 전체 외 표면에 상기 지지체(5)와 반대 극성의 촉매 재료를 피복 한 후, 소성 처리하여 완성한다.
그리고 상기 돌기(24)들의 상부 면에 집전 층(60)을 피복하는 단계가 이루어진다. 상기 집전 층(60)들은 금속 재료를 돌기(24)의 상단 면에 될수록 얇고 치밀하게 피복하여 최종적으로 완성함으로써 단위 연료전지 모듈(1)이 완성된다.
이렇게 제조된 단위 연료전지 모듈(1)들은 별도의 다수의 금속 집전 수단들이나 가스 유로(12)의 추가 사용 없이 단지 상하로 쌓기만 함으로써 최종적으로 연료전지(100)를 구성하는 단위 스텍(Stack)을 완성한다. 또한 이와 같이 쌓은 스텍을 평행하게 배치하기만 함으로써 대용량의 연료전지(100)로 확장 구성할 수 있는 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료전지 모듈(1)과 연료전지(100)는 도10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 유체 공급 부(150)를 통하여 제1 유체가 공급되고, 이와 직교하는 방향으로는 제2 유체 공급 부(170)를 통하여 제2 유체가 공급되는 것이다.
이와 같은 경우, 제1 유체 공급 부(150)를 통하여 유입된 제1 유체는 공기 또는 연료 가스일 수 있으며, 상기 제1 유체가 공기인 경우 상기 지지체(5)는 공기 극(양극)을 형성하게 되며, 따라서 그 촉매 재료로는 예를 들면 LSM(LaSrMnO3)가 사용된다. 만일 상기 제1 유체가 연료 가스인 경우는 상기 지지체(5)는 연료 극(음극)의 촉매 재료로 성형 제작되며, 예를 들면 Ni/YSZ(cermet)이 사용된다.
그리고, 상기 제2 유체 공급 부(170)를 통하여 유입되는 제2 유체는 제1 유체와는 반대의 것으로서, 연료 기체 또는 공기로 이루어진다. 이와 같은 경우, 상기 피복 층(50)은 상기 제2 유체가 연료 가스인 경우는 상기 피복 층(50)은 연료 극(음극)의 촉매 재료로 성형 제작되며, 예를 들면 Ni/YSZ(cermet)이 사용된다. 또한 상기 제2 유체가 공기인 경우 상기 피복 층(50)은 공기 극(양극)을 형성하게 되며, 따라서 그 촉매 재료로는 예를 들면 LSM(LaSrMnO3)가 사용된다.
본 발명의 고체산화물 연료전지(100)는 전기를 발생시키는 경우, 약 1000℃ 정도의 고온이 필요한데, 이는 상기 가열 수단(180)을 통하여 이루어진다. 상기 가열 수단(180)은 제1 커버(110)의 외측에 위치된 것으로서 상기 가열 수단(180)을 통하여 케1 커버 내측의 공간을 가열시킨다. 이와 같은 경우, 상기 제1 커버(110)는 마치 퍼니스(Furnace)와 같이 작용하며, 그 부분에서 연료전지(100)의 산화 및 환원 반응이 일어나는 부분이다.
상기 가열 수단(180)의 열원으로서는 전기적인 저항 코일을 이용할 수도 있고, 버너등의 직접적인 화염을 이용하여 상기 제1 커버(110)를 외부에서 가열할 수 있는 것으로서, 본 발명은 이러한 가열 방식에 제한되는 것은 아니고 이들을 모두 포함하는 것이다.
상기 제1 커버(110)의 내부에서 이루어지는 화학 반응은 아래와 같다.
만일 제1 유체 흐름 부(10)를 통하여 공기가 흐르고, 제2 유체 흐름 부(20)를 통하여 연료 가스가 흐른 다고 하면, 공기 중의 산소는 지지체(5)의 촉매 작용으로 인하여 산소 이온(O2 -)과 전자(2e-)로 분해되고, 이 중 산소 이온만이 선택적으로 고체 산화물 전해질 막과 피복 층(50)을 통과하여, 제2 유체 흐름 부(20)의 연료 가스인 수소 측으로 전달되어 반응하고 제2 유체 흐름 부(20)에서는 수증기와 일부 미반응 연료가스를 배출한다. 동시에 산소로부터 분해된 전자는 상,하 집전 층(60)들을 통하여 흐르게 되어 이때에 일어난 전자의 흐름으로 인해 전류가 생성되고, 제2 유체 흐름 부(20)에서는 수증기 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생한다. 이렇게 생성된 전류는 직류 전류로써, 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 전력변환기를 통해 교류 전류로 바꾸어 사용하기도 한다.
이와 같이 화학 반응을 통하여 각각의 연료전지 모듈(1)에 구비된 집전 층(60)들에서는 전류가 흐르게 되고, 이와 같이 적층 된 연료전지 모듈(1)들은 그 상하 적층 방향에서 마치 전지들을 직렬 연결한 것과 같이 전자의 이동이 이루어지게 되어 적층된 연료전지 모듈(1)의 상,하부에 배치된 집전 판(140a)(140b)에서는 각각 직류 전원을 인출할 수 있는 것이다.
이와 같은 경우, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 제1 유체 공급 부(150)의 내부 유로(12)를 통하여 공기가 흐르고, 제2 유체 공급 부(170)를 통하여 연료 가스가 흐르는 경우, 상기 지지체(5)들은 공기 극으로 작용하고, 그 결과 상부측의 집전 판(140a)은 양극(+)의 단자를 이루며, 하부 측의 집전 판(140b)은 음극(-)의 단자를 이룬다.
만일 이와는 다르게 상기 제1 유체 공급 부(150)의 내부 유로(12)를 통하여 연료 가스가 흐르고, 제2 유체 공급 부(170)를 통하여 공기가 흐르는 경우, 상기 지지체(5)들은 연료 극으로 작용하고, 그 결과 상부 측의 집전 판(140a)은 음극(-) 의 단자를 이루며, 하부 측의 집전 판(140b)은 양극(+)의 단자를 이룬다.
한편, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지(100)는 도 11에서 도시된 바와 같이, 단위 연료전지 모듈(1)을 적층하여 스텍을 구성할 때, 제2 유체 공급 부(170)의 제2 커버(120a) 및 제3 커버(120b) 들은 상기 가열 수단(180)이 배치된 제1 커버(110)의 양 외측에 각각 별도로 배치된 것이고, 제1 커버(110) 내측의 반응 영역에서 유지되는 고온보다 그 온도를 보다 낮게 유지할 수 있으며, 도 10에 도시된 바와 같이 밀봉재(30a)(30b) 부분에서 밀봉이 이루어지기 때문에 종래의 평판형 구조보다 가스 밀봉이 용이하다.
그리고 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지(100)는 공기 공급 포트(port) 또는 연료 공급 포트(port)를 선택적으로 이루는 제1 유체 공급 부(150)와 제2 유체 공급 부(170)들이 각각 90도 각도로 배치되고, 서로 다른 면으로 유입되기 때문에 두 가스 간의 혼합을 완전히 효과적으로 막을 수가 있다.
또한, 각각의 연료전지 모듈(1)들에 마련된 제1 유체 흐름 부(10)와 제2 유체 흐름 부(20)들에 대해서도, 가스 유로(12) 별로 또는 단위 연료전지 모듈(1)별로 공기 또는 연료가스를 따로따로 공급함이 없이 케이싱(105)을 구성하는 제1 커버(110), 제2 커버(120a) 및 제3 커버(120b)들을 통하여 단순한 박스형으로 하여 집합적으로 공급할 수 있기 때문에 제작이 용이하고 각각의 연료전지 모듈(1)별로 균일한 가스 흐름의 분배를 이룰 수 있어서 발생 전류를 극대화할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기에서 공기 공급 포트(port) 또는 연료 공급 포트(port)를 선택적으로 이루는 제1 유체 공급 부(150)와 제2 유체 공급 부(170)들에 구비된 제1 커버(110), 제2 커버(120a) 및 제3 커버(120b)들은 상기와 같이 공기 또는 연료 가스들을 집합적으로 공급하는 기능을 구비한다면 그 형상에 관해서는 제한이 없고, 다양한 형상을 가질 수 있는 것이다.
상기와 같이 본 발명에 의하면, 연료전지 모듈이 내부에 제1 유체 흐름 부를 구성하고, 그 외부에 제2 유체 흐름 부를 구성하여 적층되기 때문에 내부에 형성되는 가스 유로들은 허니컴(honeycomb)의 형태를 구비하게 되어 구조적으로 견고하며, 원통형 셀의 장점을 가지면서도 높은 전력밀도를 가질 수 있는 것이다.
또한 이러한 연료전지 모듈들은 다수 개가 상하 적층으로 배치되고, 적층된 상태에서 나란하게 배치될 수 있으며, 케이싱을 통하여 내장형의 구조를 갖출 수 있음으로써 제작이 쉽고 경제적이며, 밀봉이 용이하다.
그리고 본 발명은 연료 및 공기의 원활한 공급을 위한 별도의 가스 공급 계통이나 전기적 연결을 위한 다수의 집전 구조물들을 사용할 필요없이, 적층된 연료전지 모듈의 상,하부에 배치된 집전 판들을 이용하여 발생 전원의 인출이 가능하기 때문에, 전체 연료전지의 구조가 간단하고 제작이 용이하며 간편한 장점이 있다.
또한 본 발명은 적층 형의 연료전지 모듈 구조를 갖춤으로써 대량생산이 가능하여 제작 원가를 크게 줄일 수 있고, 그 제조 비용을 획기적으로 절감할 수 있어서 경제적인 생산이 가능하다.
뿐만 아니라 본 발명은 연료전지 모듈이 적층형으로 이루어지고, 큰 면적의 집전 층과 피복 층들이 서로 맞닿아 배치되기 때문에 전극 내부의 저항이 적어서 획기적으로 전력밀도를 크게 상승시킬 수 있으며, 지지체의 넓이와 길이를 크게 하고, 적층된 연료전지 모듈들을 나란하게 다수 배치하여 더욱더 전력밀도의 감소 없이 대형화할 수 있고, 그에 따라서 대용량의 연료전지를 얻을 수 있는 것이다.
상기에서 본 발명은 특정한 실시 예에 관하여 도시되고 설명되었지만, 이는 단지 예시적으로 본 발명을 설명하기 위하여 기재된 것이며, 본 발명을 이와 같은 특정 구조로 제한하려는 것은 아니다. 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그렇지만 이러한 수정 및 변형 구조들은 모두 본 발명의 권리범위 내에 포함되는 것임을 분명하게 밝혀두고자 한다.
Claims (30)
- 연료가스와 공기를 이용하여 전기를 발생시키는 연료전지 모듈에 있어서,제1 촉매재료로 이루어진 지지체;상기 지지체의 내부에 유로가 형성된 제1 유체 흐름 부;상기 지지체를 적층한 스택(stack)에서 그 상부의 연료전지 모듈과의 전기적 연결재가 되고, 산화, 환원 반응에 의해 전기 화학적으로 전류를 형성하도록, 상기 지지체와 일체를 이루면서 상기 지지체의 외면에 다수개의 돌기가 돌출 형성되고, 그 돌기들 사이에서 유로가 형성되는 제2 유체 흐름 부;상기 지지체의 돌기들 상부 면을 제외한 외면에 피복되는 전해질 층;상기 돌기들을 제외한 전해질 층의 상부 면에 형성되는 제2 촉매재료의 피복 층; 및상기 돌기들의 상부 면에 피복되는 집전 층;들을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 지지체는 공기 극의 촉매재료로 형성되는 경우, 제1 유체 흐름 부의 유로에는 공기가 흐르게 되고, 제2 유체 흐름 부에는 연료 가스가 흐르며, 상기 지지체가 연료 극의 촉매 재료로 이루어지는 경우는 제1 유체 흐름 부에는 연료 가스가 흐르고, 제2 유체 흐름 부에는 공기가 흐르는 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈.
- 제2항에 있어서, 상기 지지체는 돌기가 없는 양측 상부면 공간들을 포함하고, 상기 양측 부분 공간은 가스의 밀봉을 쉽게 하기 위해 밀봉 재를 설치한 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈.
- 제2항에 있어서, 상기 지지체는 몸체 내부에 다수의 격벽을 설치하여 내부에 복수의 가스 유로가 형성되고 상기 몸체의 상부 면에 다수의 돌기 들을 형성시키며 상기 몸체를 적층함으로써 상기 돌기들 사이에서 유로를 형성한 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 지지체는 전해질 층, 상기 지지체를 이루는 촉매재료와는 반대 극을 이루는 촉매 피복 층 및 집전 층을 이루는 금속재료들을 얇게 피복한 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 지지체는 그 내부의 가스 유로들이 허니컴 형상을 이루고, 그 가스 유로는 그 내경 크기가 0.1-10 mm 사이인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈.
- 제6항에 있어서, 상기 지지체는 유로 사이의 격벽의 두께가 0.1-5mm 사이인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 지지체는 그 상부 측의 돌기들이 사각형의 단면을 갖는 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈.
- 제8항에 있어서, 상기 돌기는 그 높이가 0.1-10 mm, 폭이 0.1-10mm 이며, 상기 돌기들 사이의 거리는 0.1-10mm 인 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 지지체는 그 상부 측에 다수 개의 긴 돌기들이 나란하게 형성되고, 상기 긴 돌기들은 그 사이에 긴 유로를 형성하며, 상기 긴 유로의 일측에 유입구가 형성되고 타측에 배출구가 형성되며, 상기 하나의 긴 유로들을 제2 유체 흐름 부를 형성하는 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈.
- 제5항에 있어서, 상기 전해질 층은 상기 지지체의 돌기 부분의 상면을 제외한 모든 면에 치밀하게 피복된 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈.
- 제5항에 있어서, 상기 피복 층은 지지체를 형성하는 촉매 재료와는 반대 극성의 촉매 재료로 이루어지며, 상기 전해질 층 위에서 돌기 부분의 상단 면과 일부 옆면을 제외한 전체 외 표면에 피복된 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈.
- 제5항에 있어서, 상기 전해질 층, 피복 층 및 집전 층의 두께는 1000 ㎛ 이하인 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈.
- 연료가스와 공기를 이용하여 전기를 발생시키는 연료전지에 있어서,중공형의 케이싱;상기 케이싱의 내부에서 적층되고, 제1 촉매재료로 이루어진 다수의 지지체 내부를 통하여 제1 유체 흐름 부가 형성되며, 상기 각각의 지지체 외부를 통하여 제2 유체 흐름 부가 형성되고, 상기 각각의 지지체의 외면에는 전해질 층과 제2 촉매재료의 피복 층 및 집전 층들이 형성되어 적층되는 다수의 연료전지 모듈;상기 연료전지 모듈의 제1 유체 흐름 부로 제1 유체를 공급하도록 상기 연료전지 모듈에 연결된 챔버들을 구비한 제1 유체 공급 부;상기 연료전지 모듈의 제2 유체 흐름 부로 제2 유체를 공급하도록 상기 연료전지 모듈에 연결된 챔버들을 구비한 제2 유체 공급 부; 및상기 연료전지 모듈들을 반응온도로 가열하기 위한 가열 수단;을 포함하고,상기 제1 유체는 연료가스 또는 공기 중의 어느 하나이고, 상기 제2 유체는 연료가스 또는 공기 중의 나머지 하나인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
- 제14항에 있어서, 상기 적층된 연료전지 모듈들의 제1 유체 흐름 부와 제2 유체 흐름 부들은 서로 교차하는 방향으로 배치되어 가스 흐름이 이루어지는 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
- 제14항에 있어서, 상기 적층된 연료전지 모듈들 사이에 위치된 다수의 지지막대들을 추가 포함하고, 상기 지지막대들은 상하 적층된 연료전지 모듈들을 좌우 방향에서 고정시키는 동시에, 상하로 적층된 연료전지 모듈들을 좌우방향으로 이격시켜서 전기적으로 단절시키는 스페이서(spacer)의 기능을 갖는 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
- 제16항에 있어서, 상기 지지막대들은 전기전도성이 없고 고온에서도 기계적 강도를 가지는 재질로 이루어진 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
- 제16항에 있어서, 상기 적층된 다수의 연료전지 모듈들로부터 전기를 집전하기 위한 집전 판들을 케이싱의 상하에 추가 포함하고 각각 도선을 통하여 외부로 직류를 인출할 수 있는 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
- 제18항에 있어서, 상기 상부측 집전 판은 가장 상부 측에 배치된 연료전지 모듈의 집전 층들에 전기적으로 접촉하는 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
- 제18항에 있어서, 상기 하부측 집전 판은 가장 하부측에 배치된 연료전지 모듈의 피복 층에 전기적으로 접촉된 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
- 제14항에 있어서, 상기 케이싱은 적층된 연료전지 모듈의 돌기들이 형성된 중앙 부분을 에워 싸서 외부와 차폐시키는 제1 커버와, 상기 제1 커버의 양측에서 상기 적층된 연료전지 모듈의 각각의 단부들을 에워 싸서 외부와 차폐시키는 제2 커버 및 제3 커버들을 포함하는 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
- 제21항에 있어서, 상기 제1 커버는 그 양측단이 적층된 연료전지 모듈의 밀봉재 측에 위치되고, 일측으로는 상기 적층된 연료전지 모듈들의 제2 유체 흐름 부들로 연료가스 또는 공기를 공급하기 위한 입구가 형성되며, 그 반대측으로는 출구가 형성된 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
- 제21항에 있어서, 상기 제2 커버와 제3 커버들은 각각 상기 적층된 연료전지 모듈의 단부들을 에워 싸는 밀봉형의 구조를 갖추고, 상기 적층된 연료전지 모듈들의 제1 유체 흐름 부를 통하여 서로 그 내부 챔버들이 연통된 구조이며, 상기 제2 커버와 제3 커버들은 어느 하나가 내부 챔버로 공기 또는 연료 가스를 공급하기 위한 입구가 형성되면 다른 하나는 출구를 형성하는 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
- 제14항에 있어서, 상기 제1 유체 공급 부의 입구 측에 형성된 챔버와 제2 유 체 공급 부의 입구 측에 형성된 챔버들은 각각 공기 또는 연료 가스들이 적층된 연료전지 모듈의 제1 유체 흐름 부와 제2 유체 흐름 부들을 통하여 균등하게 공급 및 배출되기 위한 분배 공간을 형성하는 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
- 제14항에 있어서, 상기 가열 수단은 열원으로서 전기적인 저항 코일이거나, 버너 등의 직접적인 화염을 이용한 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
- 연료가스와 공기를 이용하여 전기를 발생시키는 연료전지 모듈의 제작방법에 있어서,내부에 제1 유체 흐름 부의 유로가 형성된 제1 촉매재료로 이루어진 지지체를 준비하는 단계;상기 지지체를 적층한 스택(stack)에서 그 상부의 연료전지 모듈과의 전기적 연결재가 되고, 산화, 환원 반응에 의해 전기 화학적으로 전류를 형성하도록, 상기 지지체의 외면을 가공하여 다수개의 돌기들을 형성하고, 그 사이에서 제2 유체 흐름 부의 유로가 형성되도록 하는 단계;상기 지지체의 돌기들 상부 면을 제외한 외면에 전해질 층을 피복하는 단계;상기 돌기들을 제외한 전해질 층의 상부 면에 제2 촉매재료의 피복 층을 형성하는 단계; 및상기 돌기들의 상부 면에 집전 층을 피복하는 단계;들을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈 제작방법.
- 제26항에 있어서, 상기 지지체는 음극 또는 양극을 이루는 촉매 재료를 사용하여 압출기(extrusion machine)에서 압출성형, 소성 함으로써 이루어진 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈 제작방법.
- 제26항에 있어서, 상기 제2 유체 흐름 부는 상기 지지체 상부의 긴 돌출 부들을 각각 연마 제거하여 돌기들을 형성한 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈 제작방법.
- 제26항에 있어서, 상기 집전 층은 금속 입자를 이용하여 피복한 후 열 소성(thermal sintering) 처리를 하거나, 또는 금속화합물을 이용한 화학증착법(CVD, chemical vapor deposition)을 사용하여 피복되는 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈 제작방법.
- 제26항에 있어서, 상기 제1 유체 공급 부를 통하여 유입된 제1 유체가 공기인 경우 상기 지지체는 공기 극(양극)을 형성하게 되어 그 촉매 재료로는 LSM(LaSrMnO3)로 이루어지고, 상기 제1 유체가 연료 가스인 경우는 상기 지지체는 연료 극(음극)을 형성하게 되며, 그 촉매 재료는 Ni/YSZ(cermet)인 것임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈 제작방법.
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