KR101119258B1 - Solid oxide fuel cell and a method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 외주면이 다수의 평면으로 구성된 다각 관형지지체, 상기 다수의 평면에 각각 형성된 다수의 단위전지, 상기 다수의 단위전지를 직렬로 연결하는 내부연결재, 및 직렬로 연결된 상기 다수의 단위전지를 집전수단과 연결하는 외부연결재를 포함하여 구성되며, 관형지지체의 다수의 평면에 각각 단위전지를 형성하여 직렬로 연결함으로써 뛰어난 성능 및 높은 단위부피당 전력밀도를 가질 수 있고, 집전시 높은 전압을 유지하여 전기저항으로 인한 전력손실량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.The solid oxide fuel cell according to the present invention includes a polygonal tubular support having an outer circumferential surface formed of a plurality of planes, a plurality of unit cells each formed on the plurality of planes, an internal connection member connecting the plurality of unit cells in series, and the series connected in series. It is configured to include an external connection material for connecting a plurality of unit cells with the current collector means, by forming a unit cell on a plurality of planes of the tubular support each connected in series can have excellent performance and high power density per unit volume, Maintaining a high voltage has the effect of reducing the amount of power loss due to electrical resistance.

고체산화물 연료전지, 다각 관형지지체, 내부연결재, 외부연결재, 단위전지 Solid oxide fuel cell, polygonal tubular support, internal connection material, external connection material, unit cell

Description

고체산화물 연료전지 및 그 제조방법{SOLID OXIDE FUEL CELL AND A METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}Solid oxide fuel cell and its manufacturing method {SOLID OXIDE FUEL CELL AND A METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide fuel cell and a method of manufacturing the same.

연료전지란 연료(수소, LNG, LPG 등)와 공기의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 기존의 발전기술이 연료의 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 발전기 구동 과정을 취하는 것과 달리 연소 과정이나 구동 장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경문제를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이다. 이러한 연료전지는 SOx와 NOx 등의 대기오염물질을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적어 무공해 발전이며, 저소음, 무진동 등의 장점이 있다.A fuel cell is a device that directly converts chemical energy of fuel (hydrogen, LNG, LPG, etc.) and air into electricity and heat by an electrochemical reaction. Unlike the existing power generation technology that takes fuel combustion, steam generation, turbine driving, and generator driving process, it is a new concept of power generation technology that is not only highly efficient and does not cause environmental problems because there is no combustion process or driving device. Such a fuel cell has almost no emissions of air pollutants such as SOx and NOx, generates little carbon dioxide, and is a pollution-free power generation. It has advantages such as low noise and no vibration.

연료전지는 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC) 등 다양한 종류가 있는데, 이 중 고체산화물 연료전지(SOFC)는 활성화 분극에 바탕한 과전압이 낮고, 비가역적 손실이 적으므로 발전효율이 높다. 또한, 수소뿐만 아니라 탄소 또는 하이드로 카본계의 연료로 사용할 수 있어 연료 선택폭이 넓으며, 전극에서의 반응속도가 높기 때문에 전극 촉매로서 값비싼 귀금속을 필요로 하지 않는다. 게다가, 발전에 부수하여 배출되는 열은 온도가 매우 높아 이용가치가 높다. 고체산화물 연료전지에서 발생한 열은 연료의 개질에 이용될 뿐만 아니라, 열병합 발전에서 산업용 이나 냉방용 에너지원으로 이용할 수 있다. 따라서, 고체산화물 연료전지는 향후 수소 경제 사회로의 진입을 위해 필수적인 발전기술이다.There are various types of fuel cells such as phosphate fuel cell (PAFC), alkaline fuel cell (AFC), polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), direct methanol fuel cell (DMFC), and solid oxide fuel cell (SOFC). Medium solid oxide fuel cell (SOFC) has high power generation efficiency due to low overvoltage and low irreversible loss based on activation polarization. In addition, it is possible to use not only hydrogen but also carbon or hydrocarbon-based fuels, so that the fuel selection range is wide and the reaction rate at the electrode is high, thus eliminating the need for expensive precious metals as electrode catalysts. In addition, the heat released as a result of the generation is very high in temperature and high in value. The heat generated from solid oxide fuel cells is not only used for reforming fuel, but also for industrial or cooling energy sources in cogeneration. Therefore, solid oxide fuel cells are an essential power generation technology for entering the hydrogen economy society in the future.

고차산화물 연료전지(solid oxide fuel cell; SOFC)의 기본적인 동작원리를 살펴보면, 고체산화물 연료전지는 기본적으로 수소 및 CO의 산화반응으로 발전하는 장치이고, 연료극 및 공기극에서는 아래의 반응식 1과 같은 전극 반응이 진행된다.Looking at the basic operation principle of the solid oxide fuel cell (SOFC), the solid oxide fuel cell is basically a device that generates by the oxidation reaction of hydrogen and CO, the electrode reaction in the anode and the cathode as shown in Equation 1 below This is going on.

연료극: H2 + O2 - → H2O + 2e- Fuel electrode: H 2 + O 2 - → H 2 O + 2e -

CO + O2 - → CO2 + 2e- CO + O 2 - → CO 2 + 2e -

공기극: O2 + 4e- → 2O2 - Cathode: O 2 + 4e - → 2O 2 -

전반응: H2 + CO + O2 → H20 + CO2 Prereaction: H 2 + CO + O 2 → H 2 0 + CO 2

즉, 전자는 외부 회로를 거쳐 공기극에 도달하고, 동시에 공기극에서 발생한 산소이온이 전해질을 통해서 연료극으로 전달되어 연료극에서는 수소 또는 CO가 산 소이온과 결합하여 전자 및 물 또는 CO2를 생성한다.That is, electrons reach the cathode via an external circuit, and at the same time, oxygen ions generated from the cathode are transferred to the anode through the electrolyte, whereby hydrogen or CO combines with oxygen ions to form electrons, water, or CO 2 . Create

도 1a 내지 도 1b는 종래의 고체산화물 연료전지의 사시도이다.1A to 1B are perspective views of a conventional solid oxide fuel cell.

도 1a 내지 도 1b에 도시된 바와 같이, 고체산화물 연료전지는 평판형 고체산화물 연료전지(10)와 관형 고체산화물 연료전지(20)로 분류되고 있다.1A to 1B, solid oxide fuel cells are classified into flat solid oxide fuel cells 10 and tubular solid oxide fuel cells 20.

평판형 고체산화물 연료전지(10)는 세퍼레이터(11), 단위전지(13), 세퍼레이터(11) 순으로 적층된다. 평판형 고체산화물 연료전지(10)는 관형 고체산화물 연료전지(20)에 비해서 높은 성능 및 전력밀도를 갖고 제조공정이 매우 간단하다. 특히, 테이프 캐스팅(tape casting), 닥터 블레이드(doctor blade), 스크린 프린팅(screen printing) 등을 통해 평면상에 전극 및 전해질을 제조하므로 연료전지 제조비용이 낮은 장점이 있다.The planar solid oxide fuel cell 10 is stacked in order of the separator 11, the unit cell 13, and the separator 11. The planar solid oxide fuel cell 10 has higher performance and power density than the tubular solid oxide fuel cell 20 and the manufacturing process is very simple. In particular, since the electrode and the electrolyte are manufactured on a plane through tape casting, doctor blade, screen printing, etc., fuel cell manufacturing cost is low.

하지만, 평판형 고체산화물 연료전지(10)는 반응가스의 공급과 배출를 위해서 커다란 외부 매니폴드(manifold)를 필요로 하고, 이러한 구조는 엄격한 기체 밀봉을 요구한다. 따라서, 세퍼레이터(11)와 단위전지(13) 사이에 가스밀봉을 위한 실링부재(15)를 배치해야 한다. 그러나, 실링부재(15)는 고온에서 내구성이 안정적이지 못해 크랙(crack)이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 가스밀봉을 위해 기계적인 압축밀봉, 시멘트 밀봉, 유리밀봉, 유리와 세라믹 복합 밀봉기술 등이 개발되고 있으나, 여전히 많은 문제점이 있다. 기계적 압축밀봉의 경우 세라믹 구성요소에 불균일한 응력 분포를 초래하여 균열을 발생시키고, 시멘트와 유리 밀봉의 경우 고온에서 전지재료와 반응하여 연료전지에 나쁜 영향을 미친다.However, the planar solid oxide fuel cell 10 requires a large external manifold for supplying and discharging the reaction gas, and this structure requires strict gas sealing. Therefore, the sealing member 15 for gas sealing should be disposed between the separator 11 and the unit cell 13. However, since the sealing member 15 is not stable at high temperatures, cracks are generated. In addition, mechanical compression sealing, cement sealing, glass sealing, glass and ceramic composite sealing technology for gas sealing has been developed, but there are still many problems. Mechanical compression seals result in uneven stress distribution in ceramic components, causing cracks, and cement and glass seals adversely affect fuel cells by reacting with cell materials at high temperatures.

관형 고체산화물 연료전지(20)는 공기극 지지체(21)의 외부에 전해질(23), 연료극(25) 순으로 적층되고, 다른 단위전지와 연결을 위한 연결재(27)가 공기극 지지체(21) 상부에 형성된다. 관형 고체산화물 연료전지(20)는 평판형 고체산화물 연료전지(10)와 달리 별도의 가스밀봉이 필요 없어 장기 내구성이 좋고, 열충격에 안정적이다.The tubular solid oxide fuel cell 20 is stacked outside the cathode support 21 in the order of the electrolyte 23, the anode 25, and a connecting member 27 for connecting with other unit cells is disposed on the cathode support 21. Is formed. Unlike the planar solid oxide fuel cell 10, the tubular solid oxide fuel cell 20 does not need a separate gas seal and thus has long-term durability and is stable to thermal shock.

하지만, 단위전지를 연결하여 번들(bundle) 형성시 많은 부피를 차지하기 때문에 상대적으로 낮은 성능과 전력밀도를 갖는다. 또한, 공기극 지지체(21)의 외주면이 곡면이므로 평판형 고체산화물 연료전지(10)에 비해서 균일한 전극 및 전해질의 코팅이 어려운 문제점이 있다.However, since it takes up a large volume when forming a bundle by connecting unit cells, it has a relatively low performance and power density. In addition, since the outer circumferential surface of the cathode support 21 is curved, there is a problem in that uniform electrode and electrolyte coating is more difficult than the planar solid oxide fuel cell 10.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 외주면이 다수의 평면으로 구성된 다각 관형지지체를 채용함으로써 가스밀봉이 필요 없으면서도 높은 성능 및 전력밀도를 갖는 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention by adopting a polygonal tubular support consisting of a plurality of planes of the outer peripheral surface of the solid oxide having a high performance and power density without the need for gas sealing It is to provide a fuel cell and a method of manufacturing the same.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는 외주면이 다수의 평면으로 구성된 다각 관형지지체, 상기 다수의 평면에 각각 형성된 다수의 단위전지, 상기 다수의 단위전지를 직렬로 연결하는 내부연결재, 및 직렬로 연결된 상기 다수의 단위전지를 집전수단과 연결하는 외부연결재를 포함하여 구성된다.A solid oxide fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention includes a polygonal tubular support having an outer circumferential surface consisting of a plurality of planes, a plurality of unit cells each formed on the plurality of planes, an internal connection member connecting the plurality of unit cells in series, and It comprises an external connection material for connecting the plurality of unit cells connected in series with the current collector.

여기서, 상기 다수의 단위전지는, 상기 관형지지체의 모서리를 제외한 각각의 상기 평면에 형성된 다수의 제1 전극, 상기 제1 전극의 외부에 선택적으로 형성된 다수의 전해질, 및 상기 전해질의 외부에 선택적으로 형성된 다수의 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the plurality of unit cells, a plurality of first electrodes formed on each of the plane except for the edge of the tubular support, a plurality of electrolyte selectively formed on the outside of the first electrode, and selectively on the outside of the electrolyte It characterized in that it comprises a plurality of second electrodes formed.

또한, 상기 외부연결재는, 상기 관형지지체의 일모서리를 기준으로 양측에 형성된 상기 제1 전극의 일단 및 상기 제2 전극의 타단을 집전수단과 연결하는 것을 특징으로 하고, 상기 내부연결재는, 상기 일모서리를 제외한 상기 관형지지체의 모서리를 기준으로 양측에 형성된 상기 제1 전극의 일단과 상기 제2 전극의 타단을 연결하고, 기체 비투과성으로 형성된 것을 특징으로 한다.The external connecting member may connect one end of the first electrode and the other end of the second electrode with current collectors on both sides of the tubular support, and the internal connecting member may be configured as the working member. The one end of the first electrode and the other end of the second electrode formed on both sides with respect to the edge of the tubular support except for the corner is connected, characterized in that the gas is impermeable.

또한, 상기 전해질은 상기 제1 전극의 타측면을 도포하도록 타단이 상기 관형지지체 방향으로 연장되고, 상기 제2 전극은 연장된 상기 전해질의 타단을 도포하도록 타단이 상기 관형지지체 방향으로 연장되는 것을 특징으로 한다.In addition, the electrolyte is characterized in that the other end is extended in the direction of the tubular support to apply the other side surface of the first electrode, the second electrode is characterized in that the other end is extended in the direction of the tubular support to apply the other end of the electrolyte. It is done.

또한, 상기 제2 전극의 일단이 내부연결재 또는 외부연결재와 이격되도록 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, one end of the second electrode is characterized in that it is formed so as to be spaced apart from the internal connection member or the external connection member.

또한, 상기 제1 전극은 연료극이고, 상기 제2 전극은 공기극인 것을 특징으로 한다.The first electrode may be a fuel electrode, and the second electrode may be an air electrode.

또한, 상기 제1 전극은 공기극이고, 상기 제2 전극은 연료극인 것을 특징으로 한다.The first electrode may be an air electrode, and the second electrode may be a fuel electrode.

또한, 상기 관형지지체는 외주면이 3개, 4개, 5개 또는 6개의 평면으로 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the tubular support is characterized in that the outer peripheral surface is formed of three, four, five or six planes.

또한, 상기 관형지지체는 내주면이 곡면으로 구성된 원통형인 것을 특징으로 한다.In addition, the tubular support is characterized in that the inner peripheral surface is a cylindrical consisting of a curved surface.

또한, 상기 관형지지체는 절연성물질로 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the tubular support is characterized in that formed of an insulating material.

또한, 상기 관형지지체는 다공성물질로 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the tubular support is characterized in that formed of a porous material.

또한, 상기 관형지지체는 알루미나계 세라믹 재료로 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the tubular support is characterized in that formed of an alumina-based ceramic material.

또한, 상기 관형지지체의 모서리는 라운딩처리된 것을 특징으로 한다.In addition, the edge of the tubular support is characterized in that the rounded process.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 제조방법은 (A) 외주면이 다수의 평면으로 구성된 다각 관형지지체를 준비하는 단계, (B) 상기 다수의 평면에 각각 다수의 단위전지를 형성하는 단계, 및 (C) 상기 다수의 단위전지를 직렬로 연결하는 내부연결재와 집전수단과 연결하는 외부연결재를 구비하는 단계를 포함하여 구성된다.A method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention includes the steps of (A) preparing a polygonal tubular support having an outer circumferential surface of a plurality of planes, and (B) forming a plurality of unit cells in each of the plurality of planes. And (C) comprising an internal connection member connecting the plurality of unit cells in series and an external connection member connecting to the current collector.

여기서, 상기 (B) 단계는, (B1) 상기 관형지지체의 모서리를 제외한 각각의 상기 평면에 다수의 제1 전극을 형성하는 단계, (B2) 상기 제1 전극의 외부에 선택적으로 다수의 전해질을 형성하는 단계, 및 (B3) 상기 전해질의 외부에 선택적으로 다수의 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the step (B), (B1) forming a plurality of first electrodes in each of the plane except the edge of the tubular support, (B2) optionally a plurality of electrolytes on the outside of the first electrode And (B3) optionally forming a plurality of second electrodes on the outside of the electrolyte.

또한, 상기 (C) 단계는, 상기 관형지지체의 일모서리를 기준으로 양측에 형성된 상기 제1 전극의 일단 및 상기 제2 전극의 타단을 집전수단과 연결하는 외부연결재를 구비하는 단계, 및 상기 일모서리를 제외한 상기 관형지지체의 모서리를 기준으로 양측에 형성된 상기 제1 전극의 일단과 상기 제2 전극의 타단을 연결하는 내부연결재를 구비하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the step (C) comprises the step of providing an external connection member for connecting one end of the first electrode and the other end of the second electrode formed on both sides with respect to one edge of the tubular support and the current collecting means, and the work And an internal connection member connecting one end of the first electrode and the other end of the second electrode formed on both sides of the tubular support except for the edge.

또한, 상기 (B) 단계에서, 상기 다수의 단위전지는 테이프 캐스팅법(tape casting), 스프레이 코팅법(spray coating), 딥 코팅법(dip coating), 스크린 프린팅법(screen printing), 닥터 블레이드법(doctor blade), 전기화학 증착법, 스퍼터링법(sputtering), 이온빔법, 이온주입법 또는 플라즈마 스프레이법(plasma spray)으로 형성하는 것을 특징으로 한다.Further, in the step (B), the plurality of unit cells are tape casting, spray coating, dip coating, screen printing, doctor blade method. and a doctor blade, an electrochemical vapor deposition method, a sputtering method, an ion beam method, an ion implantation method, or a plasma spray method.

또한, 상기 제1 전극은 연료극이고, 상기 제2 전극은 공기극인 것을 특징으 로 한다.The first electrode may be a fuel electrode, and the second electrode may be an air electrode.

또한, 상기 제1 전극은 공기극이고, 상기 제2 전극은 연료극인 것을 특징으로 한다.The first electrode may be an air electrode, and the second electrode may be a fuel electrode.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.The features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to that, terms and words used in the present specification and claims should not be construed in a conventional and dictionary sense, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best explain its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

본 발명에 따르면 다각 관형지지체의 다수의 평면에 각각 단위전지를 형성하여 직렬로 연결함으로써 뛰어난 성능 및 높은 단위부피당 전력밀도를 가질 수 있고, 집전시 높은 전압을 유지하여 전기저항으로 인한 전력손실량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the unit cells are formed on a plurality of planes of the polygonal tubular support and connected in series to have excellent performance and high power density per unit volume, and maintain a high voltage during current collection to reduce the amount of power loss due to electrical resistance. It can be effected.

또한, 본 발명에 따르면 곡면이 아닌 평면에 전극 및 전해질을 형성함으로 제조공정이 간단해지고 제조비용이 낮아지면서도, 기본적으로 관형지지체를 사용하므로 가스밀봉이 필요 없어 장기 내구성이 뛰어나고 열 충격에 강한 장점이 있다.In addition, according to the present invention, by forming the electrode and the electrolyte on the flat surface rather than curved surface, the manufacturing process is simplified and the manufacturing cost is low, but since the tubular support is basically used, there is no need for gas sealing, so it is excellent in long-term durability and strong against heat shock. There is this.

또한, 본 발명에 따르면 관형지지체의 외주면을 다양한 형상으로 제작할 수 있고, 이를 통해서 최적의 단위부피당 전력밀도를 갖는 번들(bundle)을 제작할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, the outer circumferential surface of the tubular support can be manufactured in various shapes, and through this, there is an effect of producing a bundle having an optimal power density per unit volume.

또한, 본 발명에 따르면 관형지지체를 알루미나(Al2O3)계 세라믹 재료로 제작하여 종래의 관형지지체에 비해 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 장점이 있다.In addition, according to the present invention, the tubular support is made of an alumina (Al 2 O 3 ) -based ceramic material, and thus, there is an advantage in that price competitiveness can be secured compared to a conventional tubular support.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 도면상에 표시된 O2 및 H2는 연료전지의 작동과정을 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐 연료극이나 공기극에 공급되는 기체의 종류를 제한하는 것은 아니다. 또한, "일단", "타단", "타측면", "일모서리", "제1", "제2", "외부" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필 요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.The objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and the preferred embodiments associated with the accompanying drawings. In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components as much as possible, even if displayed on the other drawings. In addition, O 2 shown in the drawing And H 2 is only an example for explaining the operation of the fuel cell in detail does not limit the type of gas supplied to the anode or cathode. Also, the terms "one end", "other end", "other side", "edge", "first", "second", "external", etc. are used to distinguish one component from another component. It is to be understood that the components are not limited by the above terms. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 사시도이고, 도 7은 본 발명의 일 바람직한 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 요부확대도이며, 도 8 내지 도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다양한 고체산화물 연료전지의 사시도이다.6 is a perspective view of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, Figure 7 is an enlarged view of the main portion of the solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, Figures 8 to 10 are the present invention Perspective view of various solid oxide fuel cells in accordance with one preferred embodiment of the present invention.

도 6 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는 외주면이 다수의 평면으로 구성된 다각 관형지지체(110), 다수의 평면에 각각 형성된 다수의 단위전지(120), 다수의 단위전지(120)를 직렬로 연결하는 내부연결재(130) 및 직렬로 연결된 다수의 단위전지(120)를 집전수단과 연결하는 외부연결재(140)를 포함하는 구성이다.6 to 10, the solid oxide fuel cell according to the present embodiment has a polygonal tubular support 110 having an outer circumferential surface of a plurality of planes, a plurality of unit cells 120 formed on a plurality of planes, and a plurality of planes. The internal connection member 130 for connecting the unit cells 120 in series and the external connection member 140 for connecting the plurality of unit cells 120 connected in series with the current collector.

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 도 6, 도 8, 도 9 및 도 10에 도시된 것과 같이 다양한 형태의 고체산화물 연료전지를 제작할 수 있다. 도 6은 육각 관형지지체를 이용한 고체산화물 연료전지(100)이고, 도 8은 삼각 관형지지체를 이용한 고체산화물 연료전지(200)이고, 도 9는 사각 관형지지체를 이용한 고체산화물 연료전지(300)이며, 도 10은 오각 관형지지체를 이용한 고체산화물 연료전지(400)이다. 이와 같이, 고체산화물 연료전지는 관형지지체(110)의 형상에 따라 다양한 형태로 제작될 수 있다.The solid oxide fuel cell according to the present invention can manufacture various types of solid oxide fuel cells as shown in FIGS. 6, 8, 9, and 10. 6 is a solid oxide fuel cell 100 using a hexagonal tubular support, FIG. 8 is a solid oxide fuel cell 200 using a triangular tubular support, and FIG. 9 is a solid oxide fuel cell 300 using a square tubular support. 10 is a solid oxide fuel cell 400 using a pentagonal tubular support. As such, the solid oxide fuel cell may be manufactured in various forms according to the shape of the tubular support 110.

관형지지체(110)의 외주면은 3개(도 8 참조), 4개(도 9 참조), 5개(도 10 참조) 또는 6개(도 6 참조)의 평면으로 구성될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로 전술한 평면의 숫자(N)는 3 이상에서 무한대 미만까지(3≤N<∞)의 모든 자연수가 포함될 수 있다. 또한, 전술한 평면의 숫자(N)는 고체산화물 연료전지 내부에 직렬연결된 단위전지(120)의 수를 결정하므로 필요한 전압의 크기를 고려하여 평면의 숫자(N)를 결정한다. 그리고, 다수의 평면이 서로 접하는 모서리에는 내부연결재(130)가 구비되는데 내부연결재(130)의 크랙(crack) 발생을 방지하기 위해서 모서리를 라운딩(rounding) 처리해 주는 것이 바람직하다.The outer peripheral surface of the tubular support 110 may be composed of three (see FIG. 8), four (see FIG. 9), five (see FIG. 10) or six (see FIG. 6) planes. However, this is merely an example, and the above-mentioned number N of planes may include all natural numbers from 3 or more to less than infinity (3 ≦ N <∞). In addition, since the number N of the plane described above determines the number of unit cells 120 connected in series in the solid oxide fuel cell, the number N of the plane is determined in consideration of the required voltage. In addition, an inner connection member 130 is provided at an edge where a plurality of planes contact each other, and it is preferable to round the corners to prevent cracking of the inner connection member 130.

한편, 관형지지체(110)의 내부에는 기체(본 실시예에서는 연료)가 공급되어야 한다. 따라서, 기체 공급수단인 매니폴드(mainfold)와의 결합 신뢰성을 높이고 결합부에서의 기체의 유출을 방지하기 위해서 관형지지체(110)의 내주면(119)은 곡면으로 구성된 원통형인 것이 바람직하다. 또한, 관형지지체(110)는 공급받은 기체(본 실시예에서는 연료)를 제1 전극(본 실시예에서는 연료극(121))에 전달해야 하므로 다공성물질로 형성하는 것이 바람직하다.On the other hand, gas (fuel in this embodiment) should be supplied inside the tubular support 110. Therefore, in order to increase the coupling reliability with the manifold (mainfold) that is the gas supply means and to prevent the outflow of gas from the coupling portion, the inner circumferential surface 119 of the tubular support 110 is preferably a cylindrical having a curved surface. In addition, the tubular support 110 is preferably formed of a porous material because the gas (fuel in the present embodiment) to be supplied to the first electrode (fuel electrode 121 in the present embodiment) must be delivered.

또한, 다수의 평면상에는 다수의 단위전지(120)가 직렬연결되므로 각각의 단위전지(120)가 서로 단락(short)되는 것을 방지하기 위해서 관형지지체(110)는 절연성물질로 형성하는 것이 바람직하다. 따라서, 관형지지체(110)는 통상 사용되는 안정화 지르코니아(Yttria stabilized zircornia; YSZ)을 포함하는 세라믹재료를 이용하여 성형할 수 있고, 더욱 바람직하게는, 상대적으로 저렴한 알루미나(Al2O3)계 세라믹재료를 이용하여 성형함으로써 가격경쟁력을 확보할 수 있다.In addition, since a plurality of unit cells 120 are connected in series on a plurality of planes, the tubular support 110 may be formed of an insulating material in order to prevent the unit cells 120 from being shorted to each other. Accordingly, the tubular support 110 may be molded using a ceramic material including commonly used Yttria stabilized zircornia (YSZ), and more preferably, relatively inexpensive alumina (Al 2 O 3 ) -based ceramics. By molding using materials, price competitiveness can be secured.

본 실시예에서는 제1 전극을 연료극(121)으로 정의하고 제2 전극을 공기극(125)으로 정의하며, 이를 기준으로 하기에서 단위전지(120)를 상세히 설명하기로 한다.In the present embodiment, the first electrode is defined as the anode 121 and the second electrode is defined as the cathode 125, and the unit cell 120 will be described in detail below.

단위전지(120)는 전기에너지를 생산하는 기본적인 단위로 연료극(121), 전해질(123) 및 공기극(125)으로 이루어진다. 전술한 바와 같이 관형지지체(110)는 외주면이 다수의 평면으로 구성되므로 이를 이용하여 다수의 평면상에 다수의 단위전지(120)를 형성한다. 따라서, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 종래기술과 달리 지지체의 외주면에 단위전지를 일체로 형성시키지않고, 관형지지체(110)의 각각의 평면(111)에 독립적인 단위전지(120)를 형성시킨다.The unit cell 120 is a basic unit for producing electrical energy and includes a fuel electrode 121, an electrolyte 123, and an air electrode 125. As described above, since the outer circumferential surface is formed of a plurality of planes, the tubular support 110 forms a plurality of unit cells 120 on the plurality of planes. Therefore, the solid oxide fuel cell according to the present invention, unlike the prior art, does not form a unit cell integrally on the outer circumferential surface of the support, and forms an independent unit cell 120 on each plane 111 of the tubular support 110. Let's do it.

단위전지(120)의 형성과정을 더욱 상세히 살펴보면, 관형지지체(110)의 모서리를 제외한 각각의 평면에 다수의 연료극(121)이 형성되고, 연료극(121)의 외부에 선택적으로 다수의 전해질(123)이 형성되며, 전해질(123)의 외부에 선택적으로 다수의 공기극(125)이 형성된다. 연료극(121)은 관형지지체(110)로부터 연료를 공급받고, 공기극(125)은 연료전지의 외부로부터 공기를 공급받아 전기에너지를 생성한다.Looking at the formation process of the unit cell 120 in more detail, a plurality of anodes 121 are formed in each plane except the edge of the tubular support 110, and a plurality of electrolytes 123 selectively outside the fuel electrode 121 ) Is formed, and a plurality of cathodes 125 are selectively formed outside the electrolyte 123. The anode 121 receives fuel from the tubular support 110, and the cathode 125 receives air from the outside of the fuel cell to generate electrical energy.

한편, 전해질(123)은 매우 치밀하여 기체 비투과성을 갖으므로 관형지지 체(110)의 내부로부터 연료극(121)으로 전달된 연료가 외부로 유출되는 것을 방지한다. 또한, 전해질(123)이 형성되지 않은 모서리에서는 후술할 내부연결재(130)가 기체의 유출을 막는다.On the other hand, since the electrolyte 123 is very dense and has a gas impermeability, the fuel delivered from the inside of the tubular support 110 to the anode 121 is prevented from leaking to the outside. In addition, at the edge where the electrolyte 123 is not formed, the internal connection member 130 to be described later prevents the outflow of gas.

내부연결재(130)는 관형지지체(110)에 형성된 다수의 단위전지(120)를 직렬로 연결하는 역할을 하고, 외부연결재(140)는 직렬연결된 다수의 단위전지(120)를 집전수단과 연결하는 역할을 한다. 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 종래의 고체산화물 연료전지와 달리 하나의 관형지지체(110)에 다수의 단위전지(120)가 존재하므로 이를 직렬연결하기 위해서 내부연결재(130)를 채용한 것이고, 내부연결재(130)에 의해 직결연결된 다수의 단위전지(120)를 외부의 집전수단과 연결하기 위해서 외부연결재(140)를 채용한 것이다.The internal connection member 130 serves to connect a plurality of unit cells 120 formed in the tubular support 110 in series, and the external connection member 140 connects the plurality of unit cells 120 connected in series with a current collector. Play a role. In the solid oxide fuel cell according to the present invention, unlike the conventional solid oxide fuel cell, since a plurality of unit cells 120 exist in one tubular support 110, an internal connection member 130 is employed to connect them in series. In order to connect the plurality of unit cells 120 directly connected by the internal connection member 130 with an external current collector, an external connection member 140 is employed.

도 7을 참조하여 더욱 구체적으로 외부연결재(140)와 내부연결재(130)를 살펴보면, 외부연결재(140)는 관형지지체(110)의 임의의 일모서리(115)를 선택하여 일모서리(115)를 기준으로 양측에 형성된 연료극의 일단(221) 및 공기극의 타단(225)에 전기적으로 연결된다. 또한, 외부연결재(140)는 집전수단과 연결의 편리성을 높이기 위해서 돌출된 형상으로 제작될 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니고 형성하려는 번들의 형태를 고려하여 다양한 형상으로 제작될 수 있다. 이때, 연료극의 일단(221)과 연결되는 외부연결재(140)가 공기극(125)의 일단과 접촉되는 경우 단락이 발생하므로 공기극(125)의 일단을 외부연결재(140)와 이격되도록 형성하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 7, the outer connecting member 140 and the inner connecting member 130 will be described in more detail. The outer connecting member 140 selects an arbitrary corner 115 of the tubular support 110 to form the one corner 115. It is electrically connected to one end 221 of the anode and the other end 225 of the cathode formed on both sides as a reference. In addition, the external connection member 140 may be manufactured in a protruding shape to increase the convenience of the current collector and the connection, but is not limited thereto, and may be manufactured in various shapes in consideration of the shape of the bundle to be formed. In this case, when the external connector 140 connected to one end of the anode 221 is in contact with one end of the cathode 125, a short circuit occurs, so that one end of the cathode 125 may be formed to be spaced apart from the external connector 140. Do.

한편, 내부연결재(130)는 외부연결재(140)가 형성되는 일모서리(115)를 제외한 모서리를 기준으로 양측에 형성된 연료극의 일단(321)과 공기극의 타단(325)을 전기적으로 연결한다. 즉, 내부연결재(130)는 일모서리(115)를 제외한 모서리에 형성되어 다수의 단위전지(120)를 직렬연결시키는 수단이다. 이때, 연료극의 일단(321)과 연결되는 내부연결재(130)가 공기극(125)의 일단과 접촉될 경우 단락이 발생한다. 따라서, 공기극(125)의 일단을 내부연결재(130)와 이격되도록 형성하는 것이 바람직하다.On the other hand, the inner connector 130 electrically connects one end 321 of the anode and the other end 325 of the cathode formed on both sides with respect to the corners excluding the corners 115 where the outer connector 140 is formed. That is, the internal connection member 130 is formed at the corners excluding the corners 115 and is a means for connecting the plurality of unit cells 120 in series. At this time, a short circuit occurs when the internal connecting member 130 connected to one end of the anode 321 contacts one end of the cathode 125. Therefore, it is preferable to form one end of the cathode 125 to be spaced apart from the internal connection member 130.

또한, 공기극의 타단(325)과 연결되는 내부연결재(130)가 연료극(121)의 타단과 접촉되는 경우 단락이 발생한다. 따라서, 연료극(121)의 타측면을 도포하도록 전해질(123)의 타단을 관형지지체(110) 방향으로 연장하여 내부연결재(130)와 연료극(121)의 타단 사이의 접촉을 방지하는 것이 바람직하다. 그리고, 공기극의 타단(325)을 관형지지체(110) 방향으로 연장하여 연장된 전해질(123)의 타단을 도포함으로써 내부연결재(130)와 공기극의 타단(325) 사이의 전기적 연결에 대한 신뢰성을 강화할 수 있다.In addition, a short circuit occurs when the internal connection member 130 connected to the other end 325 of the air electrode contacts the other end of the fuel electrode 121. Therefore, it is preferable to extend the other end of the electrolyte 123 in the direction of the tubular support 110 so as to apply the other side of the fuel electrode 121 to prevent contact between the internal connecting member 130 and the other end of the fuel electrode 121. Further, by extending the other end 325 of the cathode in the direction of the tubular support 110 to apply the other end of the electrolyte 123 extended to enhance the reliability of the electrical connection between the internal connection member 130 and the other end 325 of the cathode. Can be.

여기서, 내부연결재(130)와 외부연결재(140)는 전기적 연결수단이므로 전기전도성 물질로 형성되어야함은 물론이고, 내부연결재(130)는 관형지지체(110)의 내부로부터 연료극(121)으로 전달된 연료가 모서리에서 유출되는 것을 방지하기 위해 기체 비투과성을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 내부연결재(130)가 형성되는 않는 일모서리(115)에서의 기체 유출을 방지하기 위해 일모서리(115)에 별도의 기체 비투과성 물질(145)을 배치하는 것이 바람직하다.Here, the internal connecting member 130 and the external connecting member 140 is an electrical connection means, so it should be formed of an electrically conductive material, and the internal connecting member 130 is transferred from the inside of the tubular support 110 to the fuel electrode 121. It is desirable to have gas impermeability to prevent fuel from flowing out at the edges. In addition, it is preferable to arrange a separate gas impermeable material 145 in the one corner 115 to prevent the outflow of the gas at the corner 115 is not formed.

도 11 내지 도 14는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 다양한 고체산화물 연료전지의 사시도이다.11 to 14 are perspective views of various solid oxide fuel cells according to another exemplary embodiment of the present invention.

본 실시예와 전술한 실시예의 차이점은 연료극(121)과 공기극(125)이 형성된 위치이다. 즉, 본 실시예에서는 제1 전극을 공기극(125)으로 정의하고 제2 전극을 연료극(121)으로 정의한다. 따라서, 전술한 실시예와 중복된 내용을 생략하고 차이점을 중심으로 기술하도록 한다.The difference between the present embodiment and the above-described embodiment is a position where the anode 121 and the cathode 125 are formed. That is, in the present exemplary embodiment, the first electrode is defined as the cathode 125, and the second electrode is defined as the anode 121. Therefore, the description overlapping with the above-described embodiment will be omitted and described based on the difference.

관형지지체(110)의 모서리를 제외한 각각의 평면에 다수의 공기극(125)이 형성되고, 공기극(125)의 외부에 선택적으로 다수의 전해질(123)이 형성되며, 전해질(123)의 외부에 선택적으로 다수의 연료극(121)이 형성된다. 공기극(125)은 관형지지체(110)로부터 공기를 공급받고, 연료극(121)은 연료전지의 외부로부터 연료를 공급받아 전기에너지를 생성한다. 이때, 관형지지체(110)는 다공성 물질로 형성하는 것이 바람직하다.A plurality of cathodes 125 are formed in each plane except for the edge of the tubular support 110, and a plurality of electrolytes 123 are selectively formed outside the cathode 125, and selectively outside the electrolyte 123. As a result, a plurality of fuel electrodes 121 are formed. The cathode 125 receives air from the tubular support 110, and the anode 121 receives fuel from the outside of the fuel cell to generate electrical energy. At this time, the tubular support 110 is preferably formed of a porous material.

한편, 외부연결재(140)는 관형지지체(110)의 임의의 일모서리(115)를 선택하여 일모서리(115)를 기준으로 양측에 형성된 공기극(125)의 일단 및 연료극(121)의 타단에 전기적으로 연결된다. 이때, 공기극(125)의 일단과 연결되는 외부연결재(140)가 연료극(121)의 일단과 접촉되는 경우 단락이 발생하므로 연료극(121)의 일단을 외부연결재(140)와 이격되도록 형성하는 것이 바람직하다.On the other hand, the external connection member 140 is selected at any one corner 115 of the tubular support 110 to electrically at one end of the cathode 125 formed on both sides with respect to the one corner 115 and the other end of the fuel electrode 121. Is connected. In this case, when the external connection member 140 connected to one end of the cathode 125 is in contact with one end of the anode 121, a short circuit occurs, so that one end of the anode 121 may be formed to be spaced apart from the external connection member 140. Do.

한편, 내부연결재(130)는 외부연결재(140)가 형성되는 일모서리(115)를 제외한 모서리를 기준으로 양측에 형성된 공기극(125)의 일단과 연료극(121)의 타단을 전기적으로 연결한다. 이때, 공기극(125)의 일단과 연결되는 내부연결재(130)가 연료극(121)의 일단과 접촉될 경우 단락이 발생한다. 따라서, 연료극(121)의 일단을 내부연결재(130)와 이격되도록 형성하는 것이 바람직하다.On the other hand, the internal connection member 130 electrically connects one end of the cathode 125 formed on both sides and the other end of the fuel electrode 121 on the basis of the corner except for the corner 115 where the external connection member 140 is formed. In this case, a short circuit occurs when the internal connecting member 130 connected to one end of the cathode 125 is in contact with one end of the anode 121. Therefore, it is preferable to form one end of the anode 121 to be spaced apart from the internal connection member 130.

또한, 연료극(121)의 타단과 연결되는 내부연결재(130)가 공기극(125)의 타단과 접촉되는 경우 단락이 발생한다. 따라서, 공기극(125)의 타측면을 도포하도록 전해질(123)의 타단을 관형지지체(110) 방향으로 연장하여 내부연결재(130)와 공기극(125)의 타단 사이의 접촉을 방지하는 것이 바람직하다. 그리고, 연료극(121)의 타단을 관형지지체(110) 방향으로 연장하여 연장된 전해질(123)의 타단을 도포함으로써 내부연결재(130)와 연료극(121)의 타단 사이의 전기적 연결에 대한 신뢰성을 강화할 수 있다.In addition, a short circuit occurs when the internal connection member 130 connected to the other end of the anode 121 is in contact with the other end of the cathode 125. Therefore, it is preferable to extend the other end of the electrolyte 123 in the direction of the tubular support 110 so as to apply the other side of the cathode 125 to prevent contact between the inner connecting member 130 and the other end of the cathode 125. The other end of the anode 121 is extended in the tubular support 110 to apply the other end of the extended electrolyte 123 to enhance reliability of the electrical connection between the internal connection member 130 and the other end of the anode 121. Can be.

한편, 내부연결재(130)는 관형지지체(110)의 내부로부터 공기극(125)으로 전달된 공기가 모서리에서 유출되는 것을 방지하기 위해 기체 비투과성을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 내부연결재(130)가 형성되는 않는 일모서리(115)에서의 기체 유출을 방지하기 위해 일모서리(115)에 별도의 기체 비투과성 물질(145)을 배치하는 것이 바람직하다.On the other hand, the internal connection member 130 preferably has a gas impermeability to prevent the air transferred from the inside of the tubular support 110 to the cathode 125 to flow out of the corner. In addition, it is preferable to arrange a separate gas impermeable material 145 in the one corner 115 to prevent the outflow of the gas at the corner 115 is not formed.

본 발명은 종래의 고체산화물 연료전지와 달리 하나의 관형지지체(110)에 다수의 단위전지(120)가 형성되고, 다수의 단위전지(120)를 직렬연결하여 전기에너지 를 생성할 수 있다. 따라서, 단위부피당 전력밀도를 높일 수 있고, 집전시 높은 전압을 유지하여 전기저항으로 인한 전력손실량을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 관형지지체(110)의 외주면이 6개(도 6 및 도 11 참조)의 평면으로 구성되고 각각의 단위전지(120)가 이상적인 1.1V의 전압을 유지한다면 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 6.6V의 전압을 갖는 전기에너지를 얻을 수 있다. 따라서, 동일조건에서 종래방식으로 제작된 고체산화물 연료전지보다 6배 높은 전압을 얻을 수 있으므로 전기저항으로 인한 전력손실량을 감소시킬 수 있다.According to the present invention, unlike the conventional solid oxide fuel cell, a plurality of unit cells 120 are formed in one tubular support 110, and the plurality of unit cells 120 may be connected in series to generate electrical energy. Therefore, the power density per unit volume can be increased, and the amount of power loss due to electrical resistance can be reduced by maintaining a high voltage at the time of current collection. For example, if the outer circumferential surface of the tubular support 110 is composed of six planes (see FIGS. 6 and 11) and each unit cell 120 maintains an ideal voltage of 1.1 V, the solid oxide fuel according to the present invention. The battery can obtain electrical energy with a voltage of 6.6V. Therefore, under the same conditions, since the voltage 6 times higher than that of the solid oxide fuel cell manufactured by the conventional method can be obtained, the amount of power loss due to the electrical resistance can be reduced.

도 2 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 제조방법을 공정순서대로 도시하는 도면이다.2 to 6 are diagrams showing a method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention in the order of process.

본 실시예에서 제1 전극을 연료극(121)으로 정의하고, 제2 전극은 공기극(125)으로 정의하고 있지만 권리범위가 이에 한정하는 것은 아니고, 제1 전극이 공기극(125)이고, 제2 전극이 연료극(121)인 경우도 동일한 방식으로 단위전지(120)가 형성되므로 본 발명의 권리범위에 속하는 것은 물론이다.In the present embodiment, the first electrode is defined as the anode 121, and the second electrode is defined as the cathode 125, but the scope of rights is not limited thereto. The first electrode is the cathode 125, and the second electrode is defined as the cathode 125. In the case of the fuel electrode 121, since the unit cell 120 is formed in the same manner, it goes without saying that it belongs to the scope of the present invention.

도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 제조방법은 외주면이 다수의 평면(111)으로 구성된 다각 관형지지체(110)를 준비하는 단계, 다수의 평면(111)에 각각 다수의 단위전지(120)를 형성하는 단계 및 다수의 단위전지(120)를 직렬로 연결하는 내부연결재(130)와 집전수단과 연결하는 외부연결재(140)를 구비하는 단계를 포함하는 구성이다.2 to 6, in the method for manufacturing a solid oxide fuel cell according to the present embodiment, preparing a polygonal tubular support 110 having an outer circumferential surface consisting of a plurality of planes 111 and a plurality of planes 111. And a step of forming a plurality of unit cells 120 each and an inner connection member 130 connecting the plurality of unit cells 120 in series and an outer connection member 140 connecting the current collecting means. Configuration.

우선, 도 2 도시된 바와 같이, 외주면이 다수의 평면(111)으로 구성된 다각 관형지지체(110)를 준비하는 단계이다. 관형지지체(110)의 모서리에는 후술할 단계에서 내부연결재(130)가 구비되는데 내부연결재(130)의 크랙(crack) 발생을 방지하기 위해서 모서리를 라운딩(rounding)(117) 처리해 주는 것이 바람직하다. 또한, 전술한 바와 같이 관형지지체(110)는 단락을 막기 위해 절연성을 갖는 동시에 연료를 연료극(121)에 전달하기 위해 다공성을 갖는 물질로 형성하는 것이 바람직하다.First, as shown in Figure 2, the outer peripheral surface is a step of preparing a polygonal tubular support 110 consisting of a plurality of planes (111). The corner of the tubular support 110 is provided with an inner connecting member 130 in a step to be described later, it is preferable to round the corners (rounding) 117 to prevent the occurrence of cracks of the inner connecting member (130). In addition, as described above, the tubular support 110 is preferably formed of a material having insulation to prevent a short circuit and at the same time having a porosity to deliver fuel to the anode 121.

다음, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 다수의 평면(111)에 각각 다수의 단위전지(120)를 형성하는 단계이다. 본 단계는 연료극(121)을 형성하는 단계(도 3 참조), 전해질(123)을 형성하는 단계(도 4 참조) 및 공기극(125)을 형성하는 단계(도 5 참조)를 포함한다.Next, as shown in FIGS. 3 to 5, the plurality of unit cells 120 are formed on the plurality of planes 111, respectively. This step includes forming the anode 121 (see FIG. 3), forming the electrolyte 123 (see FIG. 4), and forming the cathode 125 (see FIG. 5).

우선, 도 3에 도시된 바와 같이, 연료극(121)을 관형지지체(110)의 모서리를 제외한 각각의 평면(111)에 형성한다. 이때, 각각의 평면(111)에 형성된 연료극(121)들은 서로 접촉되지 않도록 주의해야 한다.First, as shown in FIG. 3, the anode 121 is formed on each plane 111 except for the edge of the tubular support 110. At this time, care should be taken not to contact the anodes 121 formed on the respective planes 111.

연료극(121)은 40%에서 60%의 지르코니아 가루를 포함한 산화니켈분을 소결한 재료(니켈/YSZ cermet)을 사용할 수 있다. 여기서, 산화니켈은 전기에너지를 생성할 때 수소에 의해 금속 니켈로 환원되어 전자 전도성을 발휘하게 된다.The fuel electrode 121 may use a material (nickel / YSZ cermet) obtained by sintering nickel oxide powder containing 40% to 60% zirconia powder. Here, nickel oxide is reduced to metallic nickel by hydrogen when generating electrical energy, thereby exhibiting electronic conductivity.

다음, 도 4에 도시된 바와 같이, 전해질(123)을 연료극(121)의 외부에 선택적으로 형성한다. 이때, 후술할 단계에서 공기극(125)의 타단과 연결될 내부연결재(130)가 연료극(121)의 타단과 접촉하여 단락이 발생하는 것을 방지하기 위해서 전해질(123)의 타단을 관형지지체(110) 방향으로 연장하여 연료극(121)의 타측면을 도포하는 것이 바람직하다.Next, as shown in FIG. 4, an electrolyte 123 is selectively formed outside the fuel electrode 121. In this case, the other end of the electrolyte 123 is directed toward the tubular support 110 in order to prevent a short circuit occurring by contacting the other end of the anode 121 with the other end of the internal electrode 130 to be connected to the other end of the cathode 125. It is preferable to apply the other side of the fuel electrode 121 to extend.

전해질(123)은 관형지지체(110)의 내부로부터 연료극(121)으로 전달된 기체(연료 또는 공기)가 외부로 유출되는 것을 방지하는 역할을 해야 하므로 미소한 간극이나 기공 또는 흠집이 발생하지 않도록 주의해야 한다. 전해질(123)은 지르코니아(ZrO2)에 이트리아(Y2O3)를 3%에서 10% 정도 녹인 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를 사용할 수 있다. 여기서, YSZ는 4가 지르코늄 이온의 일부가 3가의 이트리움 이온으로 대치되어 있으므로 이트리움 이온 2개당 1개의 산소이온 구멍이 내부에 발생하고, 고온에서는 이 구멍을 통하여 산소이온이 이동하게 된다.The electrolyte 123 should serve to prevent the gas (fuel or air) transferred from the inside of the tubular support 110 to the anode 121 to flow out to the outside, so that minute gaps, pores or scratches are not generated. Should be. The electrolyte 123 may use yttria stabilized zirconia (YSZ) in which yttria (Y 2 O 3 ) is dissolved in zirconia (ZrO 2 ) about 3% to 10%. Here, in the YSZ, since some of the tetravalent zirconium ions are replaced by trivalent yttrium ions, one oxygen ion hole per two yttrium ions is generated inside, and oxygen ions move through the hole at high temperature.

다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 공기극(125)을 전해질(123)의 외부에 선택적으로 형성한다. 이때, 후술한 단계에서 수행될 공기극(125)의 타단과 내부연결재(130)와의 전기적 연결에 대한 신뢰성을 강화하기 위해서 공기극(125)의 타단을 관형지지체(110) 방향으로 연장하여 전해질(123)의 타단을 도포하는 것이 바람직하다. 또한, 단락을 방지하기 위해서 연료극(121)의 일단과 연결될 내부연결재(130)와 이격되도록 공기극(125)의 일단을 형성하는 것이 바람직하다.Next, as shown in FIG. 5, the cathode 125 is selectively formed outside the electrolyte 123. At this time, the other end of the cathode 125 is extended in the direction of the tubular support 110 in order to enhance the reliability of the electrical connection between the other end of the cathode 125 and the internal connecting member 130 to be performed in the following steps, the electrolyte 123. It is preferable to apply the other end of. In addition, in order to prevent a short circuit, it is preferable to form one end of the cathode 125 to be spaced apart from the internal connection member 130 to be connected to one end of the anode 121.

공기극(125)은 페로브스카이트형 산화물을 사용할 수 있고, 특히 전자전도성이 높은 란탄스트론튬 망가나이드(LS0 .84 Sr0 .16) MnO3을 사용하는 것이 바람직하다. 공기극(125)에서 산소는 LaMnO3에 의해서 산소이온으로 전환되어 연료극(121)으로 전달된다.Air electrode 125 is fetched lobes may be used Perovskite - Type oxides, in particular it is preferred to use a high electronic conductivity is lanthanum strontium manganite arsenide (LS 0 .84 0 .16 Sr) MnO 3. In the cathode 125, oxygen is converted into oxygen ions by LaMnO 3 and transferred to the anode 121.

한편, 제1 전극을 공기극(125)으로 정의하고, 제2 전극을 연료극(121)으로 정의한 경우 연료극(121)과 공기극(125)의 형성 위치는 서로 바뀔 수 있음은 물론이다.Meanwhile, when the first electrode is defined as the cathode 125 and the second electrode is defined as the anode 121, the positions at which the anode 121 and the cathode 125 are formed may be changed.

연료극(121), 공기극(125), 전해질(123)을 형성하는 제조공법은 크게 건식법과 습식법으로 구분되는데, 건식법은 플라즈마 스프레이법(plasma spray), 전기화학 증착법, 스퍼터링법(sputtering), 이온빔법, 이온주입법 등이 있고, 습식법은 테이프 캐스팅법(tape cating), 스프레이 코팅법(spray coating), 딥 코팅법(dip coating), 스크린 프린팅법(screen printing), 닥터 블레이드법(doctor blade) 등이 있다. 본 발명에서는 연료극(121), 공기극(125), 전해질(123)을 형성할 때 정밀성과 경제성을 고려하여 전술한 공법 중 하나를 선택하거나 2 이상의 공법을 조합하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 전해질(123)을 형성할 때 접착성 마스크로 관형지지체(110)의 모서리를 도포하여 딥 코팅한 후 접착성 마스크를 제거하여 모서리를 제외한 연료극(121)이나 공기극(125)의 외부에만 선택적으로 전해질(123)을 형 성할 수 있다. 또한, 공기극(125), 전해질(123), 연료극(121) 순으로 단위전지를 형성할 때 공기극(125)의 변형을 방지하면서 연료극(121)을 정밀하게 형성하기 위해서 플라즈마 스프레이법을 이용하는 것이 바람직하다.The manufacturing method for forming the anode 121, the cathode 125, and the electrolyte 123 is largely divided into a dry method and a wet method. The dry method is a plasma spray method, an electrochemical deposition method, a sputtering method, an ion beam method, and the like. , Ion implantation, etc., and the wet method is tape cating, spray coating, dip coating, screen printing, doctor blade, etc. have. In the present invention, when forming the anode 121, the cathode 125, and the electrolyte 123, one of the above-described methods may be selected or used in combination of two or more methods in consideration of precision and economy. For example, when the electrolyte 123 is formed, the edge of the tubular support 110 is dip coated with an adhesive mask and then dip coated to remove the adhesive mask, thereby removing the edge of the anode 121 or the cathode 125 except for the edge. Only the electrolyte 123 can be selectively formed. In addition, when forming the unit cell in the order of the cathode 125, the electrolyte 123, and the anode 121, it is preferable to use the plasma spray method to precisely form the anode 121 while preventing the deformation of the cathode 125. Do.

다음, 도 6에 도시된 바와 같이, 다수의 단위전지(120)를 직렬로 연결하는 내부연결재(130)와 집전수단과 연결하는 외부연결재(140)를 구비하는 단계이다. 더욱 구체적으로 살펴보면, 관형지지체(110)의 일모서리(115)를 기준으로 양측에 형성된 연료극(121)의 일단 및 공기극(125)의 타단을 집전수단과 연결하는 외부연결재(140)를 구비하고, 외부연결재(140)가 형성된 일모서리(115)를 제외한 모서리를 기준으로 양측에 형성된 연료극(121)의 일단과 공기극(125)의 타단을 연결하는 내부연결재(130)를 구비한다. 또한, 내부연결재(130)는 관형지지체(110)의 내부로부터 연료극(121)으로 전달된 연료가 모서리에서 유출되는 것을 방지하기 위해 기체 비투과성을 갖는 것이 바람직하고, 내부연결재(130)가 구비되지 않은 일모서리(115)에서의 기체 유출을 방지하기 위해 일모서리(115)에 별도의 기체 비투과성 물질(145)을 구비하는 것이 바람직하다.Next, as shown in FIG. 6, an internal connection member 130 connecting the plurality of unit cells 120 in series and an external connection member 140 connected to the current collector are provided. In more detail, on the basis of the one edge 115 of the tubular support 110 is provided with an external connection member 140 for connecting one end of the anode 121 and the other end of the cathode 125 formed on both sides with the current collecting means, The inner connection member 130 may be configured to connect one end of the anode 121 and the other end of the cathode 125 formed on both sides of the edge of the outer connector 140, except for the one edge 115 formed thereon. In addition, the internal connection member 130 preferably has gas impermeability to prevent the fuel transferred from the inside of the tubular support 110 to the anode 121 to flow out from the corner, and the internal connection member 130 is not provided. In order to prevent the outflow of gas at the edges 115, it is preferable to provide a separate gas impermeable material 145 at the edges 115.

이때, 연료극(121)과 공기극(125)의 위치는 바뀔 수 있음은 전술한 바와 같다. 단, 최외각이 공기극(125)인 경우 내부연결재(130)와 외부연결재(140)가 산화분위기에 노출되므로 산화에 강한 재질로 제작하는 것이 바람직하다.In this case, the positions of the anode 121 and the cathode 125 may be changed as described above. However, in the case where the outermost shell is the cathode 125, the inner connecting member 130 and the outer connecting member 140 are exposed to an oxidizing atmosphere, and thus, the outer connecting member 130 may be made of a material resistant to oxidation.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발 명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다. Although the present invention has been described in detail through specific examples, it is intended to describe the present invention in detail, and the solid oxide fuel cell and its manufacturing method according to the present invention are not limited thereto, and within the technical spirit of the present invention. It will be apparent that modifications and improvements are possible by one of ordinary skill in the art.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다. All simple modifications and variations of the present invention fall within the scope of the present invention, and the specific scope of protection of the present invention will be apparent from the appended claims.

도 1a 내지 도 1b는 종래의 고체산화물 연료전지의 사시도;1A to 1B are perspective views of a conventional solid oxide fuel cell;

도 2 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 제조방법을 공정순서대로 도시하는 도면;2 to 6 are views showing a method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention in the order of process;

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 요부확대도;7 is an enlarged view illustrating main parts of a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention;

도 8 내지 도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다양한 고체산화물 연료전지의 사시도; 및8 to 10 are perspective views of various solid oxide fuel cells according to a preferred embodiment of the present invention; And

도 10 내지 도 14는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 다양한 고체산화물 연료전지의 사시도이다.10 to 14 are perspective views of various solid oxide fuel cells according to another exemplary embodiment of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 설명><Description of main parts of drawing>

100, 200, 300, 400: 고체산화물 연료전지 110: 관형지지체100, 200, 300, 400: solid oxide fuel cell 110: tubular support

111: 평면 115: 일모서리111: plane 115: corner

117: 라운딩 119: 내주면117: rounding 119: inner circumference

120: 단위전지 121: 연료극120: unit cell 121: fuel electrode

123: 전해질 125: 공기극123: electrolyte 125: air electrode

130: 내부연결재 140: 외부연결재130: internal connection material 140: external connection material

145: 기체 비투과성 물질 221, 321: 연료극의 일단145: gas impermeable material 221, 321: one end of the anode

225, 325: 공기극의 타단225, 325: the other end of the air electrode

Claims (19)

외주면이 다수의 평면으로 구성된 다각 관형지지체;A polygonal tubular support having an outer circumference having a plurality of planes; 상기 다수의 평면에 각각 독립적으로 형성된 다수의 단위전지;A plurality of unit cells each independently formed on the plurality of planes; 상기 다수의 단위전지를 직렬로 연결하는 내부연결재; 및An internal connection member connecting the plurality of unit cells in series; And 직렬로 연결된 상기 다수의 단위전지를 집전수단과 연결하는 외부연결재;An external connection member connecting the plurality of unit cells connected in series with a current collector; 를 포함하고,Including, 상기 다수의 단위전지는,The plurality of unit cells, 상기 관형지지체의 모서리를 제외한 각각의 상기 평면에 형성된 다수의 제1 전극;A plurality of first electrodes formed on each of the planes except for corners of the tubular support; 상기 제1 전극의 외부에 선택적으로 형성된 다수의 전해질; 및A plurality of electrolytes selectively formed outside the first electrode; And 상기 전해질의 외부에 선택적으로 형성된 다수의 제2 전극;A plurality of second electrodes selectively formed on the outside of the electrolyte; 을 포함하며,Including; 상기 외부연결재는,The external connection member, 상기 관형지지체의 일모서리를 기준으로 양측에 형성된 상기 제1 전극의 일단 및 상기 제2 전극의 타단을 집전수단과 연결하는 것을 특징으로 하고,Characterized in that connecting one end of the first electrode and the other end of the second electrode formed on both sides with respect to the one edge of the tubular support and the current collecting means, 상기 내부연결재는,The internal connecting member, 상기 일모서리를 제외한 상기 관형지지체의 모서리를 기준으로 양측에 형성된 상기 제1 전극의 일단과 상기 제2 전극의 타단을 연결하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.Solid oxide fuel cell, characterized in that connecting one end of the first electrode and the other end of the second electrode formed on both sides with respect to the edge of the tubular support except the one corner. 삭제delete 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 내부연결재는 기체 비투과성으로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The internal connection material is a solid oxide fuel cell, characterized in that formed gas impermeable. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 전해질은 상기 제1 전극의 타측면을 도포하도록 타단이 상기 관형지지체 방향으로 연장되고,The electrolyte has a second end extending in the tubular support to apply the other side of the first electrode, 상기 제2 전극은 연장된 상기 전해질의 타단을 도포하도록 타단이 상기 관형지지체 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.And the second electrode extends in the direction of the tubular support to apply the other end of the electrolyte. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제2 전극의 일단이 내부연결재 또는 외부연결재와 이격되도록 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.One end of the second electrode is formed so as to be spaced apart from the internal connection member or an external connection member. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제1 전극은 연료극이고, 상기 제2 전극은 공기극인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The first electrode is a fuel electrode, the second electrode is a solid oxide fuel cell, characterized in that the air electrode. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제1 전극은 공기극이고, 상기 제2 전극은 연료극인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.And the first electrode is an air electrode, and the second electrode is a fuel electrode. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 관형지지체는 외주면이 3개, 4개, 5개 또는 6개의 평면으로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The tubular support is a solid oxide fuel cell, characterized in that the outer peripheral surface is formed of three, four, five or six planes. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 관형지지체는 내주면이 곡면으로 구성된 원통형인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The tubular support is a solid oxide fuel cell, characterized in that the inner peripheral surface is composed of a curved surface. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 관형지지체는 절연성물질로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The tubular support is a solid oxide fuel cell, characterized in that formed of an insulating material. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 관형지지체는 다공성물질로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The tubular support is a solid oxide fuel cell, characterized in that formed of a porous material. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 관형지지체는 알루미나계 세라믹 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The tubular support is a solid oxide fuel cell, characterized in that formed of alumina-based ceramic material. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 관형지지체의 모서리는 라운딩처리된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The edge of the tubular support is a solid oxide fuel cell, characterized in that the rounded. (A) 외주면이 다수의 평면으로 구성된 다각 관형지지체를 준비하는 단계;(A) preparing a polygonal tubular support having an outer circumferential surface consisting of a plurality of planes; (B) 상기 다수의 평면에 각각 다수의 단위전지를 독립적으로 형성하는 단계; 및(B) independently forming a plurality of unit cells in each of the plurality of planes; And (C) 상기 다수의 단위전지를 직렬로 연결하는 내부연결재와 집전수단과 연결하는 외부연결재를 구비하는 단계;(C) providing an internal connection member for connecting the plurality of unit cells in series and an external connection member for connecting with a current collector; 를 포함하고,Including, 상기 (B) 단계는,Step (B) is, (B1) 상기 관형지지체의 모서리를 제외한 각각의 상기 평면에 다수의 제1 전극을 형성하는 단계;(B1) forming a plurality of first electrodes in each of the planes except for the edges of the tubular support; (B2) 상기 제1 전극의 외부에 선택적으로 다수의 전해질을 형성하는 단계; 및(B2) selectively forming a plurality of electrolytes outside the first electrode; And (B3) 상기 전해질의 외부에 선택적으로 다수의 제2 전극을 형성하는 단계;(B3) optionally forming a plurality of second electrodes outside of the electrolyte; 를 포함하고,Including, 상기 (C) 단계는,Step (C) is 상기 관형지지체의 일모서리를 기준으로 양측에 형성된 상기 제1 전극의 일단 및 상기 제2 전극의 타단을 집전수단과 연결하는 외부연결재를 구비하는 단계; 및Providing an external connection member connecting one end of the first electrode and the other end of the second electrode formed on both sides of the tubular support with the current collecting means; And 상기 일모서리를 제외한 상기 관형지지체의 모서리를 기준으로 양측에 형성된 상기 제1 전극의 일단과 상기 제2 전극의 타단을 연결하는 내부연결재를 구비하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.And an internal connection member connecting one end of the first electrode and the other end of the second electrode formed on both sides with respect to the edge of the tubular support except for the one edge of the solid oxide fuel cell. Manufacturing method. 삭제delete 삭제delete 청구항 14에 있어서,The method according to claim 14, 상기 (B) 단계에서,In the step (B), 상기 다수의 단위전지는 테이프 캐스팅법(tape casting), 스프레이 코팅법(spray coating), 딥 코팅법(dip coating), 스크린 프린팅법(screen printing), 닥터 블레이드법(doctor blade), 전기화학 증착법, 스퍼터링법(sputtering), 이온빔법, 이온주입법 또는 플라즈마 스프레이법(plasma spray)으로 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.The plurality of unit cells include a tape casting method, a spray coating method, a dip coating method, a screen printing method, a doctor blade method, an electrochemical deposition method, A method of manufacturing a solid oxide fuel cell, characterized in that it is formed by sputtering, ion beam, ion implantation or plasma spray. 청구항 14에 있어서,The method according to claim 14, 상기 제1 전극은 연료극이고, 상기 제2 전극은 공기극인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.The first electrode is a fuel electrode, and the second electrode is a method of manufacturing a solid oxide fuel cell, characterized in that the air electrode. 청구항 14에 있어서,The method according to claim 14, 상기 제1 전극은 공기극이고, 상기 제2 전극은 연료극인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.And the first electrode is an air electrode, and the second electrode is a fuel electrode.
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