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JP-2026076934-A - 燃料電池又は電解機器のためのガス分散手段、これを含むセルスタック及び燃料電池システム

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Abstract

【課題】燃料及び空気がセル構造体の特定区域にのみ集中することを防止し、均一な反応を用いて、セル、分離板、スタックにおいて熱集中による熱損失を減らすことができるガス分散手段と、これを含む燃料電池及び燃料電池システムを提供する。 【解決手段】第１サイドリム１１０及び第２サイドリム１２０にそれぞれ、複数のガス通過口が形成され、ボディー１３０に、互いに平行な複数のスリットが形成され、ボディーの少なくとも一部にセル構造体の縁が密着する接触板１００と、セル構造体が密着する面の反対面に密着し、第１サイドリムに相応する形状の第３サイドリム２１０にガス引込口とガス通過口が形成され、第２サイドリムに相応する形状の第４サイドリム２２０にガス排出口とガス通過口が形成され、ボディーには、引込流路、水平流路、単位拡散流路、及び排出流路が形成されるガス流れ板２００と、を含む、ガス分散手段である。 【選択図】図１

Inventors

  • リュ ボ ヒュン
  • パク サン ピル
  • ジュン キュ スク

Assignees

  • エフシーアイ カンパニー，リミテッド

Dates

Publication Date
20260512
Application Date
20250513
Priority Date
20241024

Claims (14)

  1. 第１サイドリム及び第２サイドリムにそれぞれ、複数のガス通過口が形成され、ボディーに、前記第１サイドリムから前記第２サイドリムの方向に向けて互いに平行な複数のスリットが形成され、前記ボディーの少なくとも一部にセル構造体の縁が密着する接触板と、 前記接触板の両面のうち、セル構造体が密着する面の反対面に密着し、前記第１サイドリムに相応する形状の第３サイドリムにガス引込口とガス通過口が形成され、前記第２サイドリムに相応する形状の第４サイドリムにガス排出口とガス通過口が形成され、ボディーには、前記ガス引込口と連通する櫛形状の引込流路、水平方向の溝からなる水平流路、垂直方向の溝からなる単位拡散流路、及び前記ガス排出口と連通する櫛形状の排出流路が形成されるガス流れ板と、 を含む、燃料電池又は電解機器のためのガス分散手段。
  2. 前記接触板のボディーには、 複数のスリットからなる単位スリットが多段に備えられる、 請求項１に記載の燃料電池又は電解機器のためのガス分散手段。
  3. 前記第１サイドリム及び第２サイドリムに隣接した単位スリットの高さは、前記第１サイドリム及び第２サイドリムに隣接していない他の単位スリットに比べて高く形成される、 請求項２に記載の燃料電池又は電解機器のためのガス分散手段。
  4. 前記接触板において単位スリット同士の間の境界線上に相応する位置に前記ガス流れ板の単位拡散流路が配置され、単位スリットの上下端部の間の水平線上に相応する位置に前記ガス流れ板の水平流路が配置される、 請求項２に記載の燃料電池又は電解機器のためのガス分散手段。
  5. 前記ガス流れ板において 単位拡散流路の水平流路と垂直方向の溝は互いに連通しないまま交互に反復配置される、 請求項１に記載の燃料電池又は電解機器のためのガス分散手段。
  6. 前記ガス分散手段が燃料極側である場合に、 前記接触板の第１サイドリムには、第１燃料通過口と第１空気通過口が形成され、前記接触板の第２サイドリムには、前記第１燃料通過口と対角方向に向かい合う位置に第２燃料通過口が形成され、前記第１空気通過口と対角方向に向かい合う位置に第２空気通過口が形成され、 前記ガス流れ板の第３サイドリムにおいて前記第１燃料通過口及び第１空気通過口に相応する位置にそれぞれ燃料引込口及び第３空気通過口が形成され、前記第２燃料通過口及び第２空気通過口に相応する位置に燃料排出口及び第４空気通過口が形成される、 請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池又は電解機器のためのガス分散手段。
  7. 燃料極側に備えられる請求項１に記載のガス分散手段と、 空気極側に備えられる請求項１に記載のガス分散手段、 前記燃料極側に備えられるガス分散手段の接触板に燃料極が密着し、前記空気極側に備えられるガス分散手段の接触板に空気極が密着するセル構造体、 前記燃料極側に備えられるガス分散手段と前記空気極側に備えられるガス分散手段との間に配置されてガスの漏れを防ぐシーラント、 前記燃料極側に備えられるガス分散手段又は前記空気極側に備えられるガス分散手段に備えられるガス流れ板の外部露出面を密閉する区分板と、を含むセルパッケージが複数で重なる、 燃料電池又は電解機器のセルスタック。
  8. 前記接触板のボディーには、 複数のスリットからなる単位スリットが多段に備えられる、 請求項７に記載の燃料電池又は電解機器のセルスタック。
  9. 前記第１サイドリム及び第２サイドリムに隣接した単位スリットの高さは、前記第１サイドリム及び第２サイドリムに隣接していない他の単位スリットに比べて高く形成される、 請求項８に記載の燃料電池又は電解機器のセルスタック。
  10. 前記接触板において単位スリット同士の間の境界線上に相応する位置に前記ガス流れ板の単位拡散流路が配置され、単位スリットの上下端部の間の水平線上に相応する位置に前記ガス流れ板の水平流路が配置される、 請求項８に記載の燃料電池又は電解機器のセルスタック。
  11. 前記ガス流れ板において 単位拡散流路の水平流路と垂直方向の溝は互いに連通しないまま交互に反復配置される、 請求項７に記載の燃料電池又は電解機器のセルスタック。
  12. 前記ガス分散手段が燃料極側である場合に、 前記接触板の第１サイドリムには、第１燃料通過口と第１空気通過口が形成され、前記接触板の第２サイドリムには、前記第１燃料通過口と対角方向に向かい合う位置に第２燃料通過口が形成され、前記第１空気通過口と対角方向に向かい合う位置に第２空気通過口が形成され、 前記ガス流れ板の第３サイドリムにおいて前記第１燃料通過口及び第１空気通過口に相応する位置にそれぞれ燃料引込口及び第３空気通過口が形成され、前記第２燃料通過口及び第２空気通過口に相応する位置に燃料排出口及び第４空気通過口が形成される、 請求項７に記載の燃料電池又は電解機器のセルスタック。
  13. 燃料ガスは、前記燃料極側に備えられるガス分散手段の燃料引込口に注入された後、前記燃料極側に備えられるガス分散手段の対角方向に位置しているガス排出口から排出され、空気ガスは、前記空気極側に備えられるガス分散手段のガス引込口に注入された後、前記空気極側に備えられるガス分散手段の対角方向に位置しているガス排出口から排出される、 請求項７に記載の燃料電池又は電解機器のセルスタック。
  14. 請求項７から１３のいずれか一項に記載の燃料電池又は電解機器のセルスタックを含む燃料電池システム。

Description

燃料電池又は電解機器のためのガス分散手段、これを含むセルスタック及び燃料電池システムに関し、より詳細には、セル全体にガスの流れを均一に分散させることにより、ガスがセル構造体の特定区域にのみ集中することを防止し、均一な電気化学反応によってセル構造体と分離板における熱集中を避け、これによって損傷を減らすことができるガス分散手段とこれを含むセルスタック及び燃料電池システムに関する。 固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ，ＳＯＦＣ）は、固体セラミックを電解質として用いて７００℃～１０００℃の高い温度で運転される燃料電池で、他のタイプの燃料電池に比べて発電効率がより高く、高品質の配列を活用できるというメリットがある。 通常、固体酸化物燃料電池は、複数のセルパッケージが積層されたセルスタックを使用し、各セルパッケージは、電解質を基準に両側面にそれぞれ空気極と燃料極が配置される。 セルパッケージの空気極と燃料極にそれぞれ酸素と水素が供給されると、空気極では酸素の還元反応によって酸素イオンが生成され、生成された酸素イオンが電解質膜を経由して燃料極に移動する。 燃料極では、空気極から移動してきた酸素イオンと燃料極に供給された水素とが反応して水が生成される。このとき、燃料極で生成された電子が空気極に移動する過程で外部回路に電子が流れるが、このような電子の流れを用いて電気が生産される。 固体酸化物燃料電池のセルパッケージは、空気極、燃料極、及び電解質を含むセル構造体と、セル構造体の空気極又は燃料極に酸素ガス（又は、空気）又は水素ガスをガイドする分離板と、セル構造体と分離板との間を密閉させる密封材と、生産された電気を外部に送電するための集電体などの部材を含む。 ここで、セルパッケージの分離板は、少なくとも一面に微細流路が形成されることもある。分離板の微細流路は、反応ガスである水素及び酸素がセル構造体の各反応面に均一に供給されるように誘導する役割を担当する。 仮に、分離板に形成された微細流路の流れが円滑でなく、ガスが燃料極又は空気極のいずれかの特定区域に集中すると、その特定部位でのみ反応が発生する。そのため、いずれかの区域に発熱が集中すると、長期運転に不利であり、全体的な電気生産効率は低下せざるを得ない。 特に、従来頻繁に使用される分離板は、微細流路が単純に一字状に形成されるため、分離板の入口の圧力が中間部を通って出口まで均一に維持されない傾向がある。このため、流体の流入した領域と流入していない領域で反応の相違によってセル構造体に温度差が発生し、結局として分離板とスタックにおいても温度差が発生してしまう。そして、このような温度偏差による熱の閉じ込めによって上記の部材が損傷するだけでなく、反応速度の区域別バラツキによってセルパッケージ又はセルスタックにおいて最善の効率を奏することも不可能になる。 従来の分離板が持つ形状的限界を克服するために、韓国公開特許第１０－２０１０－００５１２５７号（以下、「特許文献１」）が提案されたことがある。特許文献１は、ジグザグ構造が反復されるパターンの燃料電池分離板を開示している。 しかしながら、微細流路がジグザグ構造で形成されると、ガスがセル構造体に供給される過程で複数回方向を変えなければならず、方向が転換される地点で流れに対する抵抗が大きくなる。このため、所々に圧力損失が発生してしまい、入口側に比べて出口側に向かうほど流体の流れは遅くなることがあった。このような流体の不均一な流れは結局、発電効率を最高に高める上で妨げとなる。 韓国公開特許公報第１０－２０１０－００５１２５７号（２０１０．０５．１７） 本発明の一実施例に係るガス分散手段の燃料極側（又は、空気極側）の構成図である。本発明の一実施例に係るガス分散手段を含んでなるセルパッケージの構成図である。本発明の一実施例に係るガス分散手段を構成するガス流れ板及び接触板の細部構成図である。本発明の一実施例に係るガス分散手段のガス分散原理を説明するための細部構成図である。本発明の他の実施例に係るガス分散手段における接触板の構成図である。本発明の一実施例に係るセルパッケージの切開図である。 以下、本発明のいくつかの実施例を図面を用いて詳細に説明する。ただし、これは、本発明をいずれかの特定の実施例に対して限定しようとするものではなく、本発明の技術的思想を含むあらゆる変形（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ）、均等物（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓ）、及び代替物（ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎｓ）は本発明の範囲に含まれるものと理解されるべきである。 本明細書において、単数の表現は、文脈において特に断らない限り、複数の表現を含む。 本明細書において、ある一構成があるサブ構成を「備える（ｈａｖｅ）」又は「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」と記載している場合に、特に断らない限り、他の（ｏｔｈｅｒ）構成を除外するのではなく、他の構成をさらに含んでよいことを意味する。 図１は、本発明の一実施例に係るガス分散手段の燃料極側（又は、空気極側）の構成図である。 一実施例に係るガス分散手段は、接触板１００とガス流れ板２００を含む。一実施例のガス分散手段は、セル構造体３００の燃料極に密着する燃料極側ガス分散手段とセル構造体３００の空気極に密着する空気極側ガス分散手段のいずれかを指す。 図２は、図１の実施例に係るガス分散手段を含んでなるセルパッケージの構成図である。 図２に示すように、一実施例のセルパッケージ１０は、燃料極側ガス分散手段、セル構造体３００、シーラント４００、空気極側ガス分散手段、及び区分板５００，５００'を含んでなる。 図２に示すように、燃料極側ガス分散手段と空気極側ガス分散手段は、各ガス分散手段のガス引込２１１，２１１'とガス排出口２２１，２２１'が垂直の中心軸を基準に互いに左右が変わった地点に配置される以外は、中央のセル構造体３００を基準に互いにミラーリングされるように配置される。すなわち、燃料極側ガス分散手段と空気極側ガス分散手段は、ガス引込口２１１，２１１'とガス排出口２２１，２２１'の配置された位置以外には同一の技術構成を有する。 ガス分散手段については、図３及び図４を参照して詳細に後述する。 セル構造体３００は、空気極、電解質、及び燃料極からなる反応ユニットであり、中央部の反応領域３０１と縁部の非反応領域３０２とに区分される。 図２に示すように、セル構造体３００の燃料極には燃料極側ガス分散手段の接触板１００が密着し、セル構造体３００の空気極には空気極側ガス分散手段の接触板１００'が密着する。 シーラント４００は、燃料極側ガス分散手段と空気極側ガス分散手段との間に配置されてガスの漏れを防ぐ。 すなわち、シーラント４００は、燃料と酸素がセル構造体３００を経由する前にあらかじめ混合されないようにセル構造体３００を気密状態に保持する。そして、セル構造体３００で発生する電気が不要な経路に漏電しないように絶縁の役割を担当することもできる。 具体的には、シーラント４００は、セル構造体３００の外径と同一である又はやや大きい形状のセル構造体載置口が形成されたボディーと、ガス分散手段の接触板１００が備える第１サイドリム１１０及び第２サイドリム１２０に相応する形状の第５サイドリム及び第６サイドリムを含む。したがって、前記第５サイドリム及び第６サイドリムには、接触板１００の第１サイドリム１１０及び第２サイドリム１２０に形成された各種ガス通過口と整列ホールが同一の位置に同一の形状で形成される。そして、シーラント４００は、セル構造体３００と同一又は略同一の厚さで形成されることが好ましい。 区分板５００，５００'は、燃料極側ガス分散手段又は空気極側ガス分散手段に備えられるガス流れ板２００，２００'の外部露出面を密閉する。 具体的には、区分板５００，５００'は、均一な厚さと平坦な表面を有する板状のボディーと、ガス分散手段の接触板１００が備える第１サイドリム１１０及び第２サイドリム１２０に相応する形状の第７サイドリム及び第８サイドリムを含む。したがって、前記第７サイドリム及び第８サイドリムには、接触板１００の第１サイドリム１１０及び第２サイドリム１２０に形成された各種のガス通過口と整列ホールが同一の位置に同一の形状で形成される。 一方、区分板５００、燃料極側ガス分散手段、セル構造体３００、シーラント４００、空気極側ガス分散手段、及び区分板５００'が順次に積層及び密着して一つのセルパッケージ１０を構成する。 仮に複数のセルパッケージが積層されてセルスタックをなす場合、セルスタックの最外郭に配置されるセルパッケージは、前述した２個の区分板を備えたセルパッケージ１０が使用されてよいが、セルスタックの中間に配置されるセルパッケージは、１個の区分板を備えることで済んでもよい。 言い換えると、燃料電池システムに１個の単一セル１０が使用されてもよく、又は複数個の単一セルパッケージ１０が積層されたセルスタックが使用されてもよい。 ただし、いずれの場合も、燃料ガスは、燃料極側ガス分散手段の燃料引込口２１１に注入され、セル構造体１００を経由しながら化学反応を起こした後、燃料極側ガス分散手段において燃料引込口２１１から対角方向に位置しているガス排出口２２１から排出される。そして、空気ガスは、空気極側ガス分散手段のガス引込口２１１'に注入され、セル構造体１００を経由しながら化学反応に用いられた後、空気極側ガス分散手段において引込口２１１'から対角方向に位置しているガス排出口２２１'から排出される。 図３は、本発明の一実施例に係るガス分散手段を構成するガス流れ板及び接触板の細部構成図である。 前述したように、燃料極側ガス分散手段と空気極側ガス分散手段は、ガス引込口２１１，２１１'とガス排出口２２１，２２１'の配置された位置以外には同一の技術構成を有する。したがって、重複する説明は省略し、図３を用いて燃料極側ガス分散手段について詳しく説明する。 ガス分散手段は、接触板１００とガス流れ板２００を含む。 接触板１００は、第１サイドリム１１０、第２サイドリム１２０、及びボディー１３０からなる。 接触板１００の第１サイドリム１１０には複数のガス通過口１１１，１１２が並んで形成され、第２サイドリム１２０にも複数のガス通過口１２１，１２２が並んで形成される。そして、ガス通過口１１１，１１２の間の領域及び各ガス通過口１１１，１１２の外郭領域のうち少なくとも一領域には、整列用シャフトを貫通させるための整列ホール（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｈｏｌｅｓ，Ｈ）が形成されてよい。 仮に、図３で例示するガス分散手段が燃料極側であれば、前述した複数のガス通過口１１１，１１２，１２１，１２２は、次のように具体化できる。 すなわち、接触板１００の第１サイドリム１１０に、第１燃料通過口１１１と第１空気通過口１１２が並んで形成され、接触板１００の第２サイドリム１２０には、第１燃料通過口１１１と対角方向に向かい合う位置に第２燃料通過口１２１が形成され、第１空気通過口１１２と対角方向に向かい合う位置に第２空気通過口１２２が形成される。 接触板１００のボディー１３０には、第１サイドリム１１０から第２サイドリム方向１２０に向けて複数のスリットが互いに平行に形成される。 接触板１００のボディー１３０の少なくとも一部には、セル構造体３００の縁部の非反応領域３０２が密着する。そして、ガス流れ板２００は、接触板１００の両面のうち、セル構造体３００が密着する面の反対面に密着する。 ガス流れ板２００は、接触板の第１サイドリム１１０に相応する形状の第３サイドリム２１０と、接触板の第２サイドリム１２０に相応する形状の第４サイドリム２２０と、ボディー２３０とを備える。 ガス流れ板２００の第３サイドリム２１０には、ガス引込口２１１とガス通過口２１２が形成され、第４サイドリム２２０に