KR101053224B1 - 고체산화물 연료전지용 스텍 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체 산화물 연료전지용 스텍 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위셀들이 직병렬 혼합 적층 구조를 가지는 고체 산화물 연료 전지용 스텍 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지용 스텍은 길이방향을 따라 다공성 육면체를 관통하는 다수의 내부채널이 형성되고, 상기 내부채널들의 일부에 전극 및 전해질층이 피복된 피복 채널이 형성되며, 상기 피복채널에는 피복채널을 흐르는 공기 또는 연료가스의 상대 전극층, 전해질층, 및 동일 전극층이 차례로 피복된 지지체와; 상기 지지체의 외면에 형성되어 상기 상대 전극층과 연결되는 제1전기 연결재; 및 상기 지지체의 외면에 형성되고 상기 동일 전극층과 연결되며, 상기 제1전기 연결재와 절연되는 제2전기 연결재가 형성된 단위셀을 전기적으로 병렬연결하여 단위모듈을 제조하고, 상기 단위 모듈을 전기적으로 직열연결하여 직병렬 혼합식 고체산화물 연료전지용 스텍을 제조하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료전지는 단위 셀들 사이사이로 냉각 가스를 통과시킬 수 있어서 효과적인 열관리가 가능하고, 병렬 및 직렬로 복합 연결되어 일부 셀의 성능이 나빠져도 전체 스택에 미치는 성능 저하를 최소화할 수 있다.

Description

고체산화물 연료전지용 스텍{Solid Oxide Fuel Cell Stack}

본 발명은 고체 산화물 연료전지용 스텍 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일체형 단위셀들이 직병렬 혼합 구조로 적층된 일체형의 고체 산화물 연료 전지용 스텍 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

제 3세대 연료전지라 할 수 있는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC 라 함)는 전해질로서 이트리아(yttria)를 첨가하고 결정 구조를 안정화시킨 산화 지르코니늄을 사용해 왔다. 이 재료는 산소이온의 전도성을 가지고 있지만 800~1000℃의 고온의 범위에서 연료전지로서의 원하는 전도성을 얻을 수 있는 특징이 있다. 이 때문에 SOFC의 운전 온도는 통상 800℃ 이상이며, 전극재료도 이와 같은 고온에 견디는 도전성의 물질이 사용되며　 예로서 공기가 유입되는 공기극은 LaSrMnO₃, 수소가 유입되는 연료극에는 Ni-ZrO₂ 혼합물이 통상 사용된다.　

종래의 평판형 (planer type) SOFC에 있어서는 연료극 또는 전해질 지지체에 나머지 전극 또는 전해질을 얇게 피복 접합하여 최종적으로 단위 전해질-전극 조합판 (Electrolyte-Electrode Assembly, 이하 'EEA'라 명함)을 만들고, 여기에 적층 시 상하 단위 셀의 공기극과 연료극을 전기적으로 연결하고 각각의 전극에 연료 및 공기를 도입하기 위한 가스 채널들을 양면에 형성한 도전성의 금속 재료로 된 전기연결판 (Interconnector, 이하 'IC'라 명함)를 끼워 단위 셀을 구성하게 된다. 이러한 평판형 방식에서는 단위 'EEA'의 두께가 얇은 장점이 있으나 세라믹의 특성 상 두께의 균일도나 평판도를 조절하는 것이 어려워서 대형화가 쉽지 않고, 또한 단위 셀의 적층 (stacking)을 위해 EEA와 IC를 번갈아 적층 시 유입 가스의 밀봉을 위해 셀 가장자리에 가스 밀봉(seal)재를 사용하게 된다. 그러나 밀봉 재료로 사용되는 유리(glass)계 재료의 연화 온도는 600℃정도부터 시작되나, 고체산화물 연료전지는 통상 800℃ 이상의 고온에서 작동되는 것이 효율 면에서 바람직하다.　 따라서 평판형 SOFC는 대면적화 할수록 열 및 기계적 응력에 의한 구조 불안전성의 위험과 밀봉제의 연화에 의한 가스누출의 위험도 높아 실용화하기에 아직 많은 기술적인 난관이 존재한다.

이러한 평판형 셀(cell)의 단점들을 보충하기 위해서 평관형(flat tube type) 지지체를 이용한 단위전지 및 스택 개발이 미국 특허 (US 6416897 및 US 6429051)에서 이루어지고 있다. 그러나 이 경우도 적층을 하기 위해서는 평관형 셀 외부에 공기 또는 연료극 가스를 도입시키기 위한 가스 유로와 전기적 연결을 위한 전기연결판 (IC 판)이 추가적으로 사용된다. 이는 스택의 기계적 강도를 증가시키고 단위 전지 간 접촉면적을 넓혀 전력밀도를 증가시키지만, 전기연결판 재료가 금속인 특성 상 고온 운전 시 세라믹 재질인 평관으로된 EEA층 사이에 기계적,　 열적 응력이 발생하는 문제점 등이 있다.

이러한 금속 전기연결판의 단점을 보충하기 위해, 단위 셀용 지지체 자체에 또는 지지체의 적층 시 두 종류의 가스의 체널이 형성되게 하여 전기연결판의 가스체널 기능을 생략시키고 박판으로 단위 셀에 집적 또는 부착시켜 단위 셀을 일체화 시킨 monolith형태의 단위 셀이 소개되고 있다.　 대표적인 것으로는 평관에 길이 방향으로 셀을 분할하여 전기적으로 직렬 연결시킨 평관분할형 (미국 특허　 5486428)의 monolith 형태로 제작된 단위 셀을 들 수 있다.　 그러나 이러한 셀들은 공기 유로를 형성하기 위해서는 공기 체널용 세라믹 판이 추가로 사용되어야 하며 이러한 문제로 스택의 대형화가 쉽지 않다는 단점이 존재한다.

상기와 같이 고체산화물 연료전지는 단위 셀들의 제작에 있어서 통상 세라믹 지지체에 전극 및 전해질을 박막 피복하고 여러번의 고온 소결과정을 거치게 되는데 이때 면적이 대형화된 셀 일수록 구조가 휘는 현상이 더 심하여 셀의　대면적화가 어렵고, 또한 세라믹 전극/전해질층과 연료가스나 공기를 주입하고 셀 간 전기연결을 담당하는 금속 전기연결재의 이중 구조의 적층에 의한 열적 기계적 불일치 문제가 있으며, 단위 셀들을 적층하여 대형화 한 스택에서 전기화학적 산화반응에 의해 발생 축적되는 열의　효과적으로 냉각하여 스택 내 온도 구배를 없애기 어렵고, 적층하여 전기적으로 직렬 연결된 스택 내 모든 단위 셀들이 완벽하게 제조되고 작동되어져야 하는 문제점들을　내포하고 있다.　

이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 방편으로 평관형 지지체에 길이 방향으로 분할한 면적에 전극/전해질층과 전기연결재층이 모두 박막으로 피복되어지고 셀 간 이어진 일체화 된 단위셀 들이 소개되고 있으나 2차원적 적층이 어렵거나 3차원 적인 적층은 불가능하고 가스 공급 유로가 복잡하고 구조적으로 안정하기 못한 문제가 여전히 상존하고 있다.　 또한 지금까지의 제안된 모든 스택들은 단위 셀들이 직렬로만 연결되어져 모든 셀이 완벽하게 제조되고 작동되어져아 하는 한계를 아직 극복하지 못하고 있다.　

본 발명에 해결하고자 하는 다른 과제는 종래 고체 산화물 연료전지가 가지고 있는 문제를 해결할 수 있는 새로운 단위셀 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 종래의 고체 산화물 연료전지가 가지고 있는　여러 가지 문제점을 해결할 수 있는 새로운 스텍 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 종래 고체 산화물 연료전지가 가지고 있는 문제를 해결한 새로운 고체 산화물 연료 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서,　본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지용 스텍은 길이방향을 따라 다공성 육면체를 관통하는 다수의 내부채널이 형성되고, 상기 내부채널들의 일부에 전극 및 전해질층이 피복된 피복 채널이 형성되며, 상기 피복채널에는 피복채널을 흐르는 공기 또는 연료가스의 상대 전극층, 전해질층, 및 동일 전극층이 차례로 피복된 지지체와; 상기 지지체의 외면에 형성되어 상기 상대 전극층과 연결되는 제1전기 연결재; 및 상기 지지체의 외면에 형성되고 상기 동일 전극층과 연결되며, 상기 제1전기 연결재와 절연되는 제2전기 연결재가 형 성된 단위셀을 전기적으로 병렬연결하여 단위모듈을 제조하고, 상기 단위 모듈을 전기적으로 직열연결하여 직병렬 혼합식 고체산화물 연료전지용 스텍을 제조하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 육면체로 제작된 일체형 단위셀들을 적층할 경우 상하좌우 및 앞뒤로 상호 밀착하여 적층될 수 있는 형태이며, 바람직하게는 직육면체이다. 상기 관통홀은 육면체의 일면에서 인접하지 않은 다른 일면으로 관통되어 형성되며, 바람직하게는 직선 유로를 형성하는 것이 좋다.

본 발명에 있어서, 상기 단위셀의 재질은 공기와 연료가스가 통과할 수 있는 다공성 재질로 형성되며, 종래 기술에서 공지된 고체산화물 연료전지의 전극용 재질을 사용할 수도 있다. 본 발명의 실시에 있어서, 상기 단위셀의 재질을 연료극 또는 공기극의 재질로 제조할 경우, 피복채널의 내벽에 피복된 상대전극층인 연료극 또는 공기극을 생략할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 피복 채널과 나머지 채널은 서로 다른 원료 가스가 흐르게 되며, 일 예로 피복 채널에 공기가 흐르면 나머지 채널에는 연료가스가 흐르고, 반대로 피복채널에 연료가스가 흐르면 나머지 채널에는 공기가 흐른다.

본 발명에 있어서, 상기 채널에는 공기 또는 연료가스가 흐를 수 있으며, 또한 공기 또는 연료가스를 발생시키는 가스가 흐를 수 있다. 일예로 내부채널에 개질 촉매가 코팅 또는 충진되고 연료가스 대신 연료 가스를 발생시킬 수 있는 원료, 일예로 스팀과 탄화수소가 흐를 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 관통홀들은 피복채널과 나머지 채널들이 교대로 형 성되어 피복채널이 피복되지 않은 채널과 교대로 이웃하도록 형성하는 것이 바람직하며, 단위셀을 적층하여 스텍을 제조할 경우에도 피복채널과 비피복채널이 교대로 형성되도록 적층하는 것이 좋다.

본 발명에 있어서, 전기 연결재는 지지체의 외면, 즉, 관통홀이 형성된 측면과 외부면에 양끝에 형성되며, 관통홀 내부에 형성된 전극과 연결될 수 있다. 발명의 실시에 있어서, 상기 제1전기 연결재는 관통홀의 입구가 형성된 측면과 외부면의 전단부에 형성되고, 상기 제2전기연결재는 관통홀의 출구가 형성된 측면과 외면의 후단부에 형성되고, 상호 절연된다.

발명의 바람직한 실시에 있어서, 제1전기 연결재와 제2전기 연결재는 단위셀 외부면의 중앙부에 홈을 파서 물리적으로 상호 이격시킬 수 있으며, 제1전기 연결재와 제2전기 연결재 사이에 전해질을 형성하여 절연시킬 수도 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 단위셀들은 동일한 전극에 연결된 전기 연결재들이 상호 접합되도록 외부면이 연접되도록 상하좌우로 적층하여 전기적으로 병렬연결된 단위 모듈을 형성할 수 있으며, 상기 단위 모듈들이 다른 극에 연결된 전기연결재와 상호 접합되도록 전후로 밀착시켜 전기적으로 병렬 연결된 단위 모듈이 직렬연결된 직병렬 방식의 스텍이 형성된다.

본 발명은 연료가스와 공기를 이용하여 전기를 발생시키는 고체산화물 연료전지용 스택을 제조함에 있어서, 기체가 투과할 수 있는 다공성의 재료, 연료극 재료 또는 공기극 재료를 사용하여 제작된 내부에 다수의 가스흐름용 체널들이 길이방향으로 존재하는 육면체로 된 단위 셀 제조용 지지체; 상기 지지체 내부의 체널 들을 연료가스흐름용 체널과 공기흐름용 체널로 번갈아 이웃하게 지정한 내부 체널부; 상기 지지체의 연료흐름용 체널 표면에 공기극층, 전해질층 및 연료극층을 길이 방향으로 엇갈아 피복되거나, 또는 공기흐름용 체널 표면에 연료극층, 전해질층 및 공기극층을 길이 방향으로 엇갈아 피복하여 형성시키는 방법; 상기 전극/전해질층이 형성된 지지체의　 연료극층 및 공기극층에 전기연결재층을 연결하고 각각 반대되는 길이 방향으로 연장하여 외부면 전면까지 피복하되 중앙 일정 부분은 피복하지 않거나 대신 전해질층을 피복하여 두 전극이 서로 전기적으로 접촉이 되지 않게 단위 셀을 제조하는 방법; 또는 필요 시 추가적으로 외부면 중앙부 (전해질 층 피복부)를 일정 깊이 및 형태로 파내어 냉각용 가스가 길이 방향과 90도의 각도로 통과하도록 외부체널을 형성시키는 방법; 들에 의해 제조된 단위 셀을 제공한다.　　　　

또한 본 발명은 상기 단위 셀을 이용한 스택을 제조함에 있어서, 먼저 단위 셀들을 단면 방향인 상하 (X) 방향 또는 상하좌우 (X-Y) 방향으로 반복 적층하여 단위 셀들의 연료극은 연료극 끼리 공기극은 공기극 끼리 접촉되어져 전기적으로 병렬 연결된 하나의 모듈; 상기 모듈들을 길이 (Z) 방향으로 연결하되 모듈의 연료극부와 이웃한 모듈의 공기극부를 반복 접합하여 전기적으로 직렬 연결시켜 최종적으로 2차원 또는 3차원으로 적층된 단위 셀들이 전기적으로 병렬 및 직렬 연결이 복합되어진 스택; 상기 스택을 공 소결시켜 단위 셀들이 함께 접합되어져 구조적으로 일체화시킨 스택 (monolithic stack); 상기 스택의 길이 방향 양끝의 연료극부와 공기극부에서 최종적으로 전기를 뽑게 되는 구조; 필요 시 상기 스택의 냉각은 상하 또는 상하좌우로 적층된 단위 셀들 사이사이에 존재하는 외부 체널들을 통해 길이 방향과 90도의 각도로 냉각 가스를 주입하여 이루어지는 구조; 들을 가진 새롭고도 진보된 스택이 제공된다.　　　

본 발명은 일체형의 단위셀들을3차원적으로 적층하여 일체형의 스택을 제작하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부에 길이 방향으로 다수의 연료가스 및 공기 흐름용 체널들이 존재하는 육면체로 된 다공성 지지체의 내부체널에 전극, 전해질 및 전기연결재 층들을 적절하게 박막으로 형성시킨 일체형의 소형 단위 셀들을 제조하고 이 단위 셀들을 3차원적으로 적층 소결하여 일체형의 스택을 제작함으로써 구조적으로 안정하고 부피가 작아 높은 전력 밀도를 가지면서도 대형화가 가능한 스택을 제공한다.　 또한 적층된 셀들 사이사이로 냉각가스의 주입이 가능하여 효과적인 냉각이 가능하고, 스택 내　단위 셀들의 전기적 연결이 병렬 및 직렬 연결이 복합되어 일부 셀의 성능이 나빠져도 병렬 연결된 나머지 셀들이 여전히 작동되어져 스택 전체에 미치는 성능 저하의 영향이 적다는 장점이 있는 새롭고도 진보된 스택의 제작 방법을 제공한다.　

본 발명은 일 측면에서, 연료전지용 스텍을 이루는 단위셀은 다공성 재료로 이루어진 육면체를 관통하는 다수의 내부채널이 형성되고, 상기 내부채널들의 일부에 전극 및 전해질층이 피복된 피복 채널이 형성되며, 상기 피복채널에는 피복채널을 흐르는 공기 또는 연료가스의 상대 전극층, 전해질층, 및 동일 전극층이 차례로 피복된 지지체; 상기 지지체의 외면에 형성되고 상기 상대 전극층과 연결되는 제1전기 연결재; 및 상기 지지체의 외면에 형성되고 상기 동일 전극층과 연결되며, 상 기 제1전기 연결재와 절연되는 제2전기 연결재가 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 일 측면에서, 고체 산화물 연료 전지용 스텍이 길이방향을 따라 다공성 육면체를 관통하는 다수의 내부채널이 형성되고, 상기 내부채널들의 일부에 전극 및 전해질층이 피복된 피복 채널이 형성되며, 상기 피복채널에는 피복채널을 흐르는 공기 또는 연료가스의 상대 전극층, 전해질층, 및 동일 전극층이 차례로 피복된 지지체와; 상기 지지체의 외면에 형성되어 상기 상대 전극층과 연결되는 제1전기 연결재; 및 상기 지지체의 외면에 형성되고 상기 동일 전극층과 연결되며, 상기 제1전기 연결재와 절연되는 제2전기 연결재가 형성된 단위셀을 전기적으로 병렬연결하여 단위모듈을 제조하고, 상기 단위 모듈들이 전기적으로 직열연결되는 직병렬 혼합식 고체산화물 연료전지용 스텍인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면,　 내부에 다수의 체널들을 가진 다공성의 평관형 지지체의 서로 이웃한 공기흐름용 체널 또는 연료가스흐름용 체널에 연료극층, 전해질층, 공기극층을 피복한 후 연료극 및 공기극층에 전기연결재층을 연결 피복하고 각각 반대되는 길이 방향으로 연장하여 외부면 전면까지 피복하되 외부면 중앙부는 피복하지 않거나 또는 부도체인 전해질층을 피복하여 두 전극이 서로 전기적으로 접촉이 되지 않게 하여 단위 셀을 제조하고, 상기 단위 셀을 상하 또는 상하좌우로 밀착 적층하여 단위 셀들의 같은 극 끼리 전기적으로 병렬 연결된 모듈을 제작하고, 상기 모듈들을 길이 방향으로 반대 극부를 반복하여 연결함으로써 전기적으로 직렬 연결하여 최종적인 스택을 제작함으로써, 구조적으로 견고하면서도 대형화가 가능하고 전력 밀도가 높으면서도 전기적으로 병렬 및 직렬의 복합 연결 구조가 되어져 단위 셀의 전체 스택에 대한 성능저하 영향을 줄일 수 있는 새롭고도 보다 진보된 형태의 고체산화물 연료전지용 단위 셀 및 스택의 제조 방법을 제공한다.　 또한 필요 시 단위 셀의 외부면 중앙부 전해질층이 피복된 부분을 일정 깊이 및 형태로 파내어 냉각용 가스가 길이 방향과 90도의 각도로 통과할 수 있는 외부 체널을 형성시켜 대형 스택의 제조 시 적층된 셀 사이사이로 냉각가스를 도입시켜 스택을 효과적으로 냉각할 수도 있는 방법을 추가로 제공한다.　　

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 대해 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 단위 셀의 제조를 위한 육면체 형태의 지지체는 기체가 투과할 수 있는 다공성의 연료극재료, 공기극재료 또는 제3의 재료로 제조되며 그 모양은 도 1에 대표적으로 나타나 있다.　 지지체는 내부에 다수의 연료가스흐름용 체널 (1) 및 공기흐름용 체널 (2)이 번갈아 이웃하여 존재하며, 이러한 교대 존재는 단위 지지체 내에서 뿐 만 아니고 지지체들을 상하좌우로 적층한 후에도 연료가스흐름용 체널 (1)과 공기흐름용 체널 (2)이 서로 이웃하여야 하며, 이러기 위해서는 열 (raw) 방향의 체널 수는 짝수가 되는 것이 바람직하다.　 행(column) 방향 체널 수는 짝수 인 경우는 상하로 적층하면 되고, 홀수인 경우는 상하 적층 시에 좌우를 뒤집어서 쌓게 되면 최종적으로 두 종류의 체널이 서로 이 웃하게 된다. 도 2는 도 1의 지지체의 외부면 중앙부 (7)의 상하 2면 또는 도 3은 도 1의 외부면 중앙부 (7)의 상하좌우 전면을　 식각 또는 연마 등의 방법에 의해 일정 깊이의 골을 일정 모양으로 파내어 지지체를 적층 시 냉각가스 흐름용 체널 (8)을 형성시키게 된다.　 체널 모양은 가스가 저항 없이 자유롭게 흐를 수 있는 것이면 어떤 모양이든 가능하며, 예로 도 2 및 도 3에서는 중앙부 (8)의 전면을 요철 없이 일정 깊이로 파내었으나 일정 모양의 요철을 가진 체널 형태로 형성할 수도 있다.　　　

상기 지지체들을 이용한 단위 셀의 제작은 내부 체널 종류가 연료가스흐름용 체널(1)인지 공기흐름용 체널(2)인지에 따라 달라진다.　　 일 예로 공기흐름용 체널(2)에 단위 셀을 형성시키는 경우는 도 1, 도 2 및 도 3 상의 공기흐름용 체널 (1) 내부 표면에 연료극층 (14), 전해질층 (15), 공기극층 (16)의 순서대로 길이 방향으로 엇갈아 피복한 후 한쪽 끝은 전기연결재층(17)이 연료극층 (14)과 연결되어 도 1, 도 2, 및 도3 상의 길이 끝 단면부 (3)와 외부면 전기연결재층 (5) 까지 연장하여 피복되고 다른 한 쪽 끝은 전기연결재층 (18)이 공기극층 (16)과 연결되어 도 1, 도 2, 및 도3 상의 길이 끝 단면부 (4)와 외부면 전기연결재층 (6) 까지 연장하여 피복되며, 이때 중앙부 (7)는 연료극 전기연결재층 (5)과 공기극 전기연결재층 (6)의 전기 접촉을 막기 위해, 도 1의 지지체에서는 전기연결재층이 피복되지 않게 하든가 또는 전해질로 피복하고 도 2 및 도 3의 지지체에서는 일정 깊이 및 형태로 파내어 냉각가스용 외부체널을 형성시키게 된다. 도 4는 도 2 또는 도 3의 지지체에 상기 피복과정이 이루어진 경우의 단면　 A-A'의 절개면을 나타낸 것이 다.　 다른 예로 연료가스 흐름용 체널(1)에 단위 셀을 형성시키는 경우는 상기 공기흐름용 체널의 경우와 비교하여 음극층 및 양극층의 피복 순서만 바꾸게 되며, 일 예로 도 2 또는 도 3의 지지체에 단위 셀을 형성시켰을 때의 단면　 A-A'를 절개한 절개도가　 도 5에 나타나 있다.　

상기 단위 셀들을 이용한 스택의 제작을 위해서는, 우선 단위 셀들을 상하 (X) 또는 상하좌우 (X-Y) 방향으로 반복 적층하여 도 6에서처럼 하나의 모듈을 만들게 된다. 상기 모듈은 단위 셀들의 적층 시　 연료극은 연료극 끼리 그리고 공기극은 공기극 끼리 연결되도록 적층시켜 전기적으로 병렬 연결되게 함으로서 반응면적을 대면적화 시키게 된다.　 따라서 모듈의 한쪽은 연료극 연결부가 되고 다른 한쪽은 공기극 연결부가 된다.　 그 다음 상기 모듈들을 길이 (Z) 방향으로 연결하되 모듈의 연료극 연결부와 이웃 모듈의 공기극 연결부를 반복하여 연결하여 모듈 간 전기적으로 직렬 연결되게 하면 최종적으로 2차원 또는 3차원적으로 적층된 스택이 완성되게 되며, 일 예로 도 7에 3차원적으로 적층된 스택의 입체도가 나타나 있다. . 적층된 스택은 3면을 밀착시키면서 최종 소결 과정을 거쳐 셀들을 상호 접착시켜 구조적으로 일체화 시키게 된다. 상기 스택은 길이 방향 한 쪽 끝의 연료극층 전기연결부와 반대 쪽 끝의 공기극층 전기연결부를 연결하여 최종적으로 전기를 뽑게 되며, 스택 내 직렬 연결된 단위 모듈 내에 수많은 단위 셀들이 병렬 연결되어 있는 새로운 형태의 병렬-직렬 혼합식 연결 구조를 제공한다.　 주지하다시피 지금까지의 스택들은 단위 셀들이 직렬로만 연결되어 있어서 제조 상 또는 운전 중 한 개의 단위 셀의 성능 저하가 스택 전체의 성능저하로 바로 이어지는 위험성을 항상 내포하고 있으나,　본 발명의 병렬-직렬 혼합식 전기 연결 구조는 모듈 내 한 두 개의 단위 셀들의 성능이 저하하여도 병렬 연결된 나머지 셀들이 여전히 제 성능을 발휘하기 때문 스택 전체의 성능에 크게 영향을 주지 않아 제조 및 운전 상의 위험 부담이 크게 감소되는 장점이 있다.　 또한 도 2 및 도 3의 지지체를 사용하여 단위 셀을 제작한 경우는 상하 또는 상하좌우로 적층된 단위 셀 사이사이로 냉각가스가 유입될 수가 있어서 스택의 대형화에도 불구하고 발열 반응에 의해 축적되는 열을 효과적으로 냉각할 수 있는 추가 수단을 제공한다.　 또한 냉각가스 (23)가 공기일 경우 출구 가스 (24) 중 일부는 열 교환 없이 바로 스택의 내부 공기흐름용 체널 (2) 내로 반응가스 (22)로 유입시킬 수가 있는 장점이 있다.　 또는 냉각가스 (23)를 연료가스로 사용할 경우 개질촉매를 외부 체널 (8)의 표면에 도포하거나 내부에 장착하여 탄화수소와 스팀을 직접 공급하여 수소를 생산하고 이때 흡열반응인 개질반응을 이용하여 전기화학반응에 의한 내부 체널에서의 발열을 효과적으로 제어할 수 있으며,　 배출되는 수소 (22)는 추가 가열과정 없이 바로 연료가스 흐름용 체널 (1)로 공급될 수가 있다.　　　

도 8에 도4의 단위 셀을 이용하여 제작된 도 7의 스택과 이 스택에 공급되는 가스와 전기를 뽑아내기 위한 부대 장치 원리를　길이 방향으로 절개한 단면으로　간단하게 나타내었다. 스택은 양 끝이 open된 사각형의 하우징(31)내에 장착되고 스택의 양 끝에 전기집전체 (35, 36)을 장착한 후 연료가스와 공기를 내부 체널로 공급하기 위한 두껑 (32)과 반응 후 배출되는 가스를 받기위한 출구 두껑 (33)을 하우징에 체결한다. 이때 양쪽 두껑 사이의 통전을 막기 위해 두껑과 하우징 사이에 절연 페드 (34)를 삽입한 후 체결한다.　 상기 전기집전체 (35, 36)들은 필요 시 두껑과 분리하거나 또는 해당 두껑에 연결하여 두껑 자체를 집전체로 사용할 수도 있다.　 왼쪽 두껑은 이중 구조로 되어야하며, 안쪽 공기도입용 쳄버 (41)에 연결된 공기유입관 (42)을 통해서 도입된 공기가 스택 내 공기흐름용 체널 내로 분산되어 유입되고 바깥쪽 연료가스용 쳄버 (43)에 연결된 연료가스 유입관 (44)을 통해 도입된 연료가스는 유도관 (45)을 통해 공기가스 쳄버(41)을 bypass 해서 연료가스흐름용 체널들로 유입되어 셀 내 전극 층에서 반응에 참여한다. 반응 후 배출되는 공기와 연료가스는 유출가스 쳄버 (46)의 최종 배출관 (47)을 통해 배출된다.　 냉각용 가스는 하우징 좌우에 장착된 분배 쳄버를 통해서 단위 셀들 사이로 공급되며, 이 때 필요 시 쳄버 내부를 길이 방향으로 분할하여 길이 방향의 공기 공급량을 달리 공급함으로써 스택 길이 방향의 온도 구배를 평준화 할 수도 있다.　　　

도 1은 본 발명에 따른 외부 냉각가스 체널을 가지는 고체산화물 연료전지 단위 셀 제조용 평관형 지지체의 성형물을 도시한 입체도.

도 2는 본 발명에 따른 외부 냉각가스 체널을 가지는 고체산화물 연료전지 단위 셀 제조용 하니콤형 지지체의 성형물을 도시한 입체도.

도 3은 본 발명에 따른 외부 냉각가스 체널을 가지는 고체산화물 연료전지 단위 셀 제조용 하니콤형 지지체의 성형물을 도시한 입체도.

도 4는 본 발명에 따른 단위 셀용 지지체 내부 공기흐름용 체널 표면에 반응용 단위셀을 형성시킨 단위 셀 절개도.

도 5는 본 발명에 따른 단위 셀용 지지체 내부 연료가스흐름용 체널 표면에 반응용 단위셀을 형성시킨 단위 셀 절개도.

도 6은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 단위 셀들을 상하좌우로 반복 적층하여 단위 셀들이 전기적으로 병렬 연결된 일체형의 단위 모듈을 나타낸 입체도.

도 7은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 단위 셀들이 병렬 연결된 단위 모듈들을 연료극부와 공기극부와 서로 연결되게 길이 방향으로 반복 연결 밀착하여 모듈들이 직렬 연결 적층된 대형화된 스택을 나타낸 입체도.

도 8은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 스택과 가스 도입, 유출 및 전기 연결을 위한 장치부를 길이 방향으로 절개한 부분을 나타낸 절개도.

도 9는 도8의 일부 확대도면이다.

　<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1. 고체산화물 연료전지용 지지체 내부 연료가스흐름용 체널

2. 고체산화물 연료전지용 지지체 내부 공기흐름용 체널

3. 내부 연료극층에 연결된 전기연결재가 연장되어 피복되어지는　지지체 끝 단면부 연료극 전기연결재 피복 부분

4. 공기극층에 연결된 전기연결재가 연장되어 피복되어지는 지지체 끝 단면부 공기극 전기연결재 피복 부분

5. 연료극층 단면부를 거친 전기연결재가 외부로 연장되어 피복되어지는 외부면 연료극 전기연결재 피복 부분

6. 공기극층 단면부를 거친 전기연결재가 외부로 연장되어 피복되어지는 외부면 공기극 전기연결재 피복 부분

7. 연료극층 연결전기연결재와 공기극층 전기연결재의 상호 접촉을　막기 위해 피복되어지는 절연체 (전해질)층

8. 중앙부 절연체층 (6)을 일정 깊이로 파내어 지지체를 적층 시　지지체 사이에 형성되는 냉각가스 흐름용 외부 체널부

14. 고체산화물 연료전지용 지지체 내부 체널에 피복되는 연료극층

15. 고체산화물 연료전지용 지지체 내부 체널에 피복되는 전해질층

16. 고체산화물 연료전지용 지지체 내부 체널에 피복되는 공기극층

17. 고체산화물 연료전지용 지지체 내부 연료극층과 연결되어　피복되어지는 전기연결재층

18. 고체산화물 연료전지용 지지체　 내부 공기극층과 연결되어　피복되어지는전기연결재층

19.　 연료극층 전기연결재와 공기극층 전기연결재가 연결되는 접합부

21. 내부 체널로 유입되는 공기 또는 연료가스

22. 외부 냉각가스 체널부에서 유츨되어 내부체널로 유입되는 공기　또는 연료가스　　　　　　　　　　　　　　　　　　

23. 외부 냉각가스 체널로 유입되는 냉각가스

24. 외부 냉각가스 체널로 부터 유출되는 냉각가스

25. 내부 체널로부터 배출되는 미반응 공기 및 연료가스

31. 스택 내 상하좌우로 적층된 단위셀들을 밀착 고정시키기 위한　외부 사각 하우징

32. 길이방향으로 연결된 모듈을 밀착시키기 위한 가스 유입구 쪽 연결　두껑

33. 길이방향으로 연결된 모듈을 밀착시키기 위한 가스 배출구 쪽 연결　두껑

34.　 하우징과 두껑 사이 통전을 막기 위한 전기절연용 가스켓

35.　 스택 한 쪽 단면의 연료극 전기연결부의 전기 집전을 위한 집전체

36.　 스택 반대 쪽 단면의 공기극 전기연결부의 전기 집전을 위한　집전체

41.　 스택 내 공기흐름용 체널에 공기를 도입시키기 위한 공기도입용　쳄버

42.　 공기 도입용 쳄버 내 공기 도입을 위한 연결 배관

43.　 스택 내 연료흐름용 체널에 연료가스를 도입시키기 위한 연료가스 도입용 쳄버

44.　 연료가스 도입용 쳄버 내 연료가스 도입을 위한 연결 배관

45.　 연료가스 흐름용 체널 내 연료가스를 유입시키기 위한 유도관

46.　 체널내에서 반응 후 배출되는 공기 및 연료가스 배출용 쳄버

47.　 공기 및 연료가스 배출용 쳄버에 연결된 가스배출용 연결 배관

Claims (20)

1. 고체 산화물 연료 전지용 스텍의 제조 방법에 있어서, 길이방향을 따라 다공성 육면체를 관통하는 다수의 내부채널이 형성되고, 상기 내부채널들의 일부에 전극 및 전해질층이 피복된 피복 채널이 형성되며, 상기 피복채널에는 피복채널을 흐르는 공기 또는 연료가스의 상대 전극층, 전해질층, 및 동일 전극층이 차례로 피복된 지지체와, 상기 지지체의 외면에 형성되어 상기 상대 전극층과 연결되는 제1전기 연결재와, 및 상기 육면체의 외면에 형성되고 상기 동일 전극층과 연결되며 상기 제1전기 연결재와 절연되는 제2전기 연결재가 형성된 단위셀

   을 전기적으로 병렬연결하여 단위모듈을 제조하고,

   상기 단위 모듈을 전기적으로 직렬연결하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스텍 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 지지체는 다공성의 연료극 재료나 공기극 재료로 이루어지거나 또는 다공성의 제3의 전도성 또는 비전도성 재료로 이루어진 지지체인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스텍 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 전기연결재들은 지지체의 외면 중앙부는 지지체 재질 그대로 두거나, 절연체로 피복하거나, 일정 깊이로 길이 방향과 수직으로 체널을 파는 방법을 하나 이상 적용하여 전기적으로 비접촉되는 것을 특징으로 고체산화물 연료전지 스텍 제조 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 지지체의 외면 중앙부를 파서 내부 채널 방향과 직각을 이루는 외부채널을 형성하고, 상기 외부채널에 냉각 가스가 흐르는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스텍 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 냉각 가스가 공기인 경우, 내부 연료가스 흐름용 채널에는 개질 촉매가 도포 또는 충진되어 도입된 탄화수소와 스팀의 개질에 의해 연료가스가 발생하면서 냉각되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스텍 제조 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 냉각 가스가 연료가스인 경우, 외부 체널에 개질 촉매가 도포 또는 충진되어 도입되는 탄화수소와 스팀의 개질에 의해 연료가스가 발생하면서 냉각되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스텍 제조 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 전극층들은 소결에 의해 다공성으로 형성되고, 전해질 및 전기 연결재층은 치밀막으로 형성되는 것을 특징으로 고체산화물 연료전지 스텍 제조 방법.
8. 제1항에 있어서, 전극 및 전해질층이 형성되지 않은 채널과 외부 냉각 가스의 성분이 다른 경우 지지체 외부면을 전해질층으로 선 피복하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스텍 제조 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 단위셀은 행 (column) 방향 체널 수는 짝수이며, 열(raw) 방향 체널 수는 홀수 또는 짝수이며, 홀수 일 경우에는 단위 모듈제조시 뒤집어 번갈아 적층하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스텍 제조 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 스텍은 소결시 전기연결재에 의해 단위셀들이 전기적 및 구조적으로 접합되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스텍 제조 방법.
11. 길이방향을 따라 다공성 육면체를 관통하는 다수의 내부채널이 형성되고, 상기 내부채널들의 일부에 전극 및 전해질층이 피복된 피복 채널이 형성되며, 상기 피복채널에는 피복채널을 흐르는 공기 또는 연료가스의 상대 전극층, 전해질층, 및 동일 전극층이 차례로 피복된 지지체와, 상기 지지체의 외면에 형성되어 상기 상대 전극층과 연결되는 제1전기 연결재와, 및 상기 지지체의 외면에 형성되고 상기 동일 전극층과 연결되며 상기 제1전기 연결재와 절연되는 제2전기 연결재가 형성된 단위셀이 전기적으로 병렬연결된 단위모듈들이 전기적으로 직렬연결된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스텍.
12. 제11항에 있어서, 상기 단위셀은 전기 연결재들은 단위셀의 외부면 중앙부를 제외한 부분에 각각 피복되고, 단위셀의 외부면 중앙부에는 냉각채널용 홈이 내부채널과 직각방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지용 스텍.
13. 제11항에 있어서, 상기 내부채널의 일부에 개질 촉매가 충진 또는 코팅된 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지용 스텍.
14. 제11항에 있어서, 상기 피복채널은 피복되지 않은 채널과 교대로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지용 스텍.
15. 제11항에 따른 고체산화물 연료 전지용 스택이 장착된 양 끝이 개방된 사각형의 하우징;

    상기 스택의 양단에 장착된 전기집전체;

    상기 하우징에 체결되어 스택에 연료가스와 공기를 내부 체널로 공급하는 공급두껑과 반응 가스가 배출되는 출구 두껑; 및

    상기 두껑과 하우징 사이에 절연 패드

    를 포함하는 고체산화물 연료전지.
16. 길이방향을 따라 다공성 육면체를 관통하는 다수의 내부채널이 형성되고, 상기 내부채널들의 일부에 전극 및 전해질층이 피복된 피복 채널이 형성되며, 상기 피복채널에는 피복채널을 흐르는 공기 또는 연료가스의 상대 전극층, 전해질층, 및 동일 전극층이 차례로 피복된 지지체와, 상기 지지체의 외면에 형성되어 상기 상대 전극층과 연결되는 제1전기 연결재와, 및 상기 지지체의 외면에 형성되고 상기 동일 전극층과 연결되며 상기 제1전기 연결재와 절연되는 제2전기 연결재가 형성된 고체 산화물 연료 전지용 단위셀.
17. 제16항에 있어서, 상기 피복채널은 비피복채널과 교대로 이웃하게 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지용 단위셀.
18. 제17항에 있어서, 단위셀은 전기 연결재들이 단위셀의 외부면 중앙부를 제외한 부분에 각각 피복되어 전기연결재에 연결된 다른 전극이 서로 전기적으로 접촉이 되지 않는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 스텍 제조용 단위셀.
19. 제16항에 있어서, 단위셀의 외부면 중앙부에는 냉각채널용 홈이 내부채널과 직각방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지 스텍 제조용 단위셀.
20. 연료가스와 공기를 주입하여 전기화학적 산화반응을 일으켜 전기를 발생시키는 고체산화물 연료전지용 스택을 제작하는 방법에 있어서,

    　다공성의 육면체의 내부에 길이 방향으로 다수개의 연료가스 및 공기 흐름 용 유로가 형성된 내부 체널들이 존재하는 지지체를 사용하여 단위 셀을 제작하기 위해

    내부체널들을 연료가스흐름용 체널과 공기흐름용 체널로 서로 이웃하게 번갈아 지정하고 연료가스흐름용 체널 또는 공기흐름용 체널 내부에 연료극층, 전해질층 및 공기극층을 길이 방향으로 엇갈아 피복한 후 연료극층 및 공기극층에 전기연결재층을 연결 피복하고 각각 반대 길이 방향으로 연장하여 외부면 전면까지 피복하되 외부면 중앙부는 전기연결재층이 피복되지 않게 하여 두 전극이 서로 전기적으로 접촉이 되지 않게 단위 셀을 제조하는 단계;

    상기 단위 셀들을 연결 적층하여 최종 스택을 제작하기 위해

    단위 셀들을 상하 또는 상하좌우로 반복 적층하되 단위 셀 간 같은 극 끼리 연결되게 하여 서로 전기적으로 병렬 연결되어 반응면적이 대면적화 된 단위 모듈을 제작하고

    상기 단위 모듈들을 연료극과 공기극이 서로 연결되게 길이 방향으로 반복 나열하고 밀착시켜 전기적으로 직렬 연결함으로서 최종적으로 스택을 완성하는 단계;

    들을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 스택 제작 방법.

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