KR101185380B1 - Junction flat-tube support for solid oxide fuel cell and stack structure using the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A junction flat-tube support is provided to economically and effectively obtain a stack of a solid oxide fuel cell with large area by forming a fuel cell stack structure through up and down lamination and side to side lamination. CONSTITUTION: A junction flat-tube support(100) comprises: an upper plate(110) in which a first electrode(111) and a second electrode(112) are formed on an upper side, and concave grooves along longitudinal direction composing an upper part of gas flow channels are formed on a lower side; a lower plate(120) in which a third electrode and a fourth electrode are formed on a lower side, and concave grooves along longitudinal direction composing a lower part of gas flow channels are formed on an upper side; and a joint insulating member in between the lower side of the upper plate and the upper side of the lower plate, jointing the upper plate and the lower plate, and electrically insulating the upper plate and the lower plate.

Description

고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체 및 이를 이용한 스택 구조{Junction Flat-tube Support for Solid Oxide Fuel Cell and Stack Structure Using The Same}Junction Flat-tube Support for Solid Oxide Fuel Cell and Stack Structure Using The Same}

본 발명은 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체 및 이를 이용한 스택 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고체산화물 연료전지에 사용되는 평관형 지지체를 상부 플레이트와 하부 플레이트 두 부분으로 구성하고 각각에 연료전지 단위셀을 구성함으로써 기존의 평관형 지지체에 비하여 하나의 평관형 지지체로 두 배의 개회로 전압을 획득할 수 있도록 하며, 또한 이와 같이 구성된 접합형 평관형 지지체를 이용하여 상하로 적층할 뿐만 아니라 좌우로도 적층하여 연료전지 스택의 구조를 이루도록 함으로써 보다 경제적이며 효율적으로 대면적의 고체산화물 연료전지의 스택을 구현할 수 있게 한 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체 및 이를 이용한 스택 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a bonded flat tubular support for a solid oxide fuel cell and a stack structure using the same. More specifically, the flat tubular support used for a solid oxide fuel cell includes two parts, an upper plate and a lower plate, each of which includes a fuel cell. By constituting the unit cell, it is possible to obtain twice the open circuit voltage with a single flat tubular support as compared to the conventional flat tubular support. The present invention relates to a bonded flat tubular support for a solid oxide fuel cell, and a stack structure using the same, by stacking a furnace to form a structure of a fuel cell stack.

일반적으로 연료전지는 탄화수소계열의 연료에 포함된 수소와 공기 중의 산소의 전기 화학적 반응을 통해 연료의 화학적 에너지를 전기에너지로 직접 전환하는 에너지 변환장치로서, 기존 발전장치들과 비교하여 발전효율이 매우 높으며 그 크기나 형태, 용량에 대한 자유도가 높아 전력 수요에 맞는 다양한 용량의 전력 시스템 구성이 가능하므로 휴대용 전자기기의 초소형 전원으로부터 대형 발전시스템에 이르기까지 다양한 응용범위를 가지고 있다. 또한, 연료전지는 NOx, SOx와 같은 오염물질의 배출량이 적고, 수소를 연료로 사용할 경우 물 이외의 오염물질을 배출하지 않는 환경 친화적인 발전 시스템으로 에너지와 환경문제를 동시에 해결해 줄 수 있는 차세대 발전방식으로 주목받고 있다.In general, a fuel cell is an energy conversion device that directly converts chemical energy of a fuel into electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen contained in a hydrocarbon-based fuel and oxygen in the air. It has a high degree of freedom in size, shape, and capacity, so that it is possible to construct a power system of various capacities to meet power demands, and thus has a wide range of applications from ultra-small power supplies to large power generation systems of portable electronic devices. In addition, fuel cells have low emissions of pollutants such as NO x and SO x, and can solve energy and environmental problems at the same time with an environmentally friendly power generation system that does not emit pollutants other than water when hydrogen is used as fuel. It is attracting attention as the next generation development method.

이러한 연료전지는 전해질의 종류에 따라 알칼리형(AFC)과 인산형(PAFC), 고분자형(PEMFC) 연료전지와 같이 비교적 저온에서 동작하는 연료전지와 650℃에서 작동되는 2세대 연료전지인 용융탄산염형 연료전지(MCFC)와 그 이상의 온도에서 사용되는 3세대 연료전지인 고체산화물 연료전지(SOFC)로 분류할 수 있다. 이중에서 3세대 연료전지인 고체산화물 연료전지는 고체상의 세라믹을 전해질로 사용하여 600~1000℃의 고온에서 운전함으로써 자체적인 발전 효율이 우수하고, 가압 조건에서도 운전이 가능하여 연료전지의 성능이 증가할 뿐만 아니라 고온, 고압의 배기가스를 이용하는 가스터빈을 연계하여 발전할 경우 전체 발전시스템의 효율을 70% 이상 증가시킬 수 있으며, 고온에서 작동하므로 다른 연료전지에서 필요한 백금 등과 같은 귀금속 전극 촉매를 사용하지 않고도 반응을 가속화시킬 수 있으며, 연료극 측에서의 내부 개질 반응이 가능하여 개질 시스템을 간략화 할 수 있으며, 액상 전해질에 의한 부식문제가 발생하지 않는 등 저온형 연료전지에서 발생되는 여러 가지 운전상의 문제점을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 수소 이외에 천연가스(LNG) 및 석탄가스(LPG) 등의 다양한 탄화수소계 연료를 사용할 수 있다는 장점이 있다.These fuel cells are molten carbonate, which is a fuel cell that operates at relatively low temperatures such as alkaline (AFC), phosphate (PAFC), and polymer (PEMFC) fuel cells, and a second generation fuel cell that operates at 650 ° C, depending on the type of electrolyte. It is classified into a type fuel cell (MCFC) and a solid oxide fuel cell (SOFC), a third generation fuel cell used at a higher temperature. Among them, the solid oxide fuel cell, the third generation fuel cell, uses solid ceramics as an electrolyte and operates at a high temperature of 600 to 1000 ° C., so its power generation efficiency is excellent, and the fuel cell performance is increased by operating under pressurized conditions. In addition, when combined with gas turbines using high-temperature and high-pressure exhaust gas, power generation can increase the efficiency of the entire power generation system by more than 70%, and because it operates at high temperatures, it uses precious metal electrode catalysts such as platinum, which are needed in other fuel cells. Reaction can be accelerated without the need for internal reforming reaction at the anode side, simplifying the reforming system, and minimizing various operational problems in low temperature fuel cells such as no corrosion problems caused by liquid electrolyte. In addition to hydrogen, natural gas (LNG) and It has the advantage of being able to use a variety of hydrocarbon-based fuel such as burnt gas (LPG).

이러한 종래의 고체산화물 연료전지는 단위전지의 연료극 또는 공기극 역할을 하는 지지체의 기하학적인 형태에 따라 평판형과 원통형으로 구분되는데 평판형 지지체는 원통형 지지체에 비하여 스택 자체의 전력밀도가 높은 장점은 있으나, 가스 밀봉문제와 재료들 간 열팽창 계수 차이에 의한 열적 쇼크 등의 문제로 그 크기가 제한을 받기 때문에 대용량 연료전지에 필수적인 대면적 연료전지의 제조가 어렵다는 문제점이 있었다. 이에 비하여 원통형 지지체는 스택을 구성하는 단위전지들의 밀봉이 용이하고, 열응력에 대한 저항성이 강한 동시에 스택의 기계적 강도가 높아 대면적 제조가 가능한 기술이나 평판형 지지체에 비하여 단위 면적당 전력밀도가 낮고 고가의 제조 공정이 필요한 문제점이 있었다.The conventional solid oxide fuel cell is classified into a flat plate and a cylinder according to the geometric shape of the support serving as the anode or air electrode of the unit cell. The flat plate support has a higher power density than the cylindrical support. Since the size is limited due to the problem of gas sealing and thermal shock due to the difference in coefficient of thermal expansion between the materials, there is a problem that it is difficult to manufacture a large area fuel cell, which is essential for a large-capacity fuel cell. On the other hand, the cylindrical support is easy to seal the unit cells constituting the stack, has a high resistance to thermal stress, and has a high mechanical strength of the stack. There was a problem that the manufacturing process of the required.

이를 해결하기 위하여 평판형과 원통형의 고체산화물 연료전지가 갖고 있는 장점을 모두 갖춘 평관형 지지체를 이용한 고체산화물 연료전지가 제안되었는데, 이러한 평관형 지지체를 이용한 고체산화물 연료전지는 기계적 강도가 높아 대면적 연료전지의 제조가 가능하며, 전류의 흐름 경로가 짧아 전력밀도가 높으며, 또한 구조가 간단해 제조공정이 경제적이고 컴팩트한 스택제조가 용이하며, 열 사이클 저항성이 우수해 안정적인 운전이 가능하며, 더불어 가스 밀봉이 우수한 장점을 보유함에 따라 분산형 전원용이나 복합발전에 적합한 연료전지로 각광받고 있다.In order to solve this problem, a solid oxide fuel cell using a planar support having all the advantages of flat and cylindrical solid oxide fuel cells has been proposed. The solid oxide fuel cell using the planar support has a high mechanical strength and has a large area. It is possible to manufacture fuel cell, short electric current flow path, high power density, simple structure, economical manufacturing process, compact stack manufacturing, and excellent thermal cycle resistance, stable operation. As gas sealing has excellent advantages, it has been spotlighted as a fuel cell suitable for distributed power generation or combined cycle power generation.

이러한 평관형 지지체를 이용한 고체산화물 연료전지를 구성하는 종래의 연료전지 단위 셀은 하나의 평관형 연료극 지지체 또는 평관형 공기극 지지체에 하나의 연료전지 단위셀을 형성하고 있는 형태를 하고 있었다. 즉, 지지체의 외형을 임의의 두께와 단면적을 가지는 평관형으로 구성하여 한쪽 단면 또는 양쪽 단면을 공기극으로 이용하고, 연료극 지지체 내부를 길이 방향으로 관통하여 하나 이상의 가스 유로를 형성시켜 평관형 연료극 지지체 형태를 하고 있거나, 지지체의 외형을 임의의 두께와 단면적을 가지는 평관형으로 구성하여 한쪽 단면 또는 양쪽 단면을 연료극으로 이용하고, 공기극 지지체 내부를 길이 방향으로 관통하여 하나 이상의 공기 유로를 형성시켜 평관형 공기극 지지체 형태를 하고 있었다. 이와 같이 하나의 평관형 연료극 지지체 또는 평관형 공기극 지지체로 이루어진 연료전지 단위셀은 보통 1.00 ~ 1.20V 정도의 개회로 전압을 출력할 수 있었으므로 원하는 출력의 전압을 획득하기 위해서는 다수 개의 평관형 연료극 지지체 또는 공기극 지지체를 사용하여야만 하였고, 이로 인하여 평관형 연료극 지지체 또는 공기극 지지체 스택의 부피가 증가할 뿐만 아니라 비용적 측면에서도 부담이 증가하여 고체산화물 연료전지의 보급에 악영향을 끼치는 문제점이 있었다.The conventional fuel cell unit cell constituting the solid oxide fuel cell using the flat tubular support has a form in which one fuel cell unit cell is formed on one flat tubular anode support or flat tubular cathode support. That is, the outer shape of the support is formed into a flat tubular shape having an arbitrary thickness and cross-sectional area, and one or both end surfaces are used as the cathode, and the one or more gas flow paths are formed through the inside of the anode support in the longitudinal direction to form a flat tubular anode support. Alternatively, the outer shape of the support may be formed into a flat tube having an arbitrary thickness and cross-sectional area, and one or both cross sections may be used as a fuel electrode, and the one or more air flow paths may be formed through the inside of the cathode support in the longitudinal direction to form a flat tube cathode. It was in the form of a support. As such, a fuel cell unit cell including one flat cathode support or a flat cathode support can output an open circuit voltage of about 1.00 to 1.20 V. Thus, in order to obtain a desired output voltage, a plurality of flat cathode support Alternatively, the cathode support had to be used, and thus, the volume of the flat cathode support or the cathode support stack was increased, and the burden was also increased in terms of cost, thereby adversely affecting the spread of the solid oxide fuel cell.

또한, 연료전지 단위셀을 이용하여 일정한 전압을 획득하기 위해서 스택을 설계하는 데 있어서 각각의 연료전지 단위셀을 전기적으로 직렬 연결 및 병렬 연결하는 것은 필수 불가결하며, 이때, 하나의 평관형 지지체가 하나의 연료전지 단위셀을 구성하는 경우에는 스택의 구조가 복잡해 질 뿐만 아니라 각종 직렬 연결 및 병렬연결을 배치하는 경우 그 작업이 용이하지 못하는 문제점이 있었다.In addition, in designing a stack to obtain a constant voltage using a fuel cell unit cell, it is essential to electrically connect and connect each fuel cell unit cell in series, where one flat tubular support is one. In the case of configuring the fuel cell unit cell, the stack structure is not only complicated, but there are problems in that the work is not easy when various series connection and parallel connection are arranged.

또한, 종래의 평관형 지지체를 이용하여 높은 출력의 고체산화물 연료전지 단위셀을 구성하기 위해서는 평관형 지지체 자체를 대면적으로 형성하여야 하는데, 이와 같은 대면적의 평관형 지지체에서는 대면적에 따른 발생전류는 증가하는 반면에 지지체의 저항에 의한 발생전류의 흐름으로 인한 전압강하(IR drop)로 전력손실이 발생하여 전력밀도가 감소하는 단점이 있었으며, 대면적의 평관형 지지체를 제작하기 위한 비용 또한 과다하게 소모되어 효용성이 떨어지는 문제점이 있었다.In addition, in order to form a high output solid oxide fuel cell unit cell using a conventional flat tubular support, the flat tubular support itself must be formed in a large area. In such a large area flat tubular support, the generated current according to the large area. On the other hand, the power loss occurs due to the voltage drop (IR drop) due to the flow of the generated current by the resistance of the support, and the power density decreases, and the cost for manufacturing a large area flat support is also excessive. It was consumed to have a problem of low utility.

본 발명이 해결하려는 과제는, 고체산화물 연료전지용 평관형 지지체를 이용하여 연료전지 단위셀을 형성함에 있어서 하나의 평관형 지지체에 하나의 연료전지 단위셀만을 형성하지 아니하고, 하나의 평관형 지지체에 두 개의 연료전지 단위셀을 형성할 수 있도록 구성한 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체를 제공함에 있다.The problem to be solved by the present invention, in forming a fuel cell unit cell by using a flat tubular support for a solid oxide fuel cell is not to form only one fuel cell unit cell on one flat tubular support, but to one flat tubular support The present invention provides a bonded flat tube support for a solid oxide fuel cell configured to form two fuel cell unit cells.

또한, 본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 고체산화물 연료전지용 평관형 지지체에 연료가스 또는 공기를 공급함에 있어서, 연료가스 또는 공기의 유출입이 기체 유로 전체에 걸쳐 균등하고 원활하게 공급되며, 연료가스 또는 공기가 고체산화물 연료전지 단위셀의 각 전극으로 확산이 매우 용이하게 이루어질 수 있도록 구성한 고체 산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체를 제공함에 있다.In addition, another problem to be solved by the present invention, in the supply of fuel gas or air to the flat tubular support for a solid oxide fuel cell, the inflow and outflow of fuel gas or air is uniformly and smoothly supplied throughout the gas flow path, The present invention provides a bonded flat tubular support for a solid oxide fuel cell in which air can be diffused to each electrode of a solid oxide fuel cell unit cell very easily.

또한, 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는, 고체산화물 연료전지를 구성하는 스택 구조를 설계함에 있어서 하나의 평관형 지지체에 두 개의 연료전지 단위셀이 형성된 접합형 평관형 지지체를 이용함으로써 스택에 사용되는 지지체의 개수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 각 지지체를 상호 직렬 또는 병렬 연결함에 있어서 효율적이고 배치가 용이한 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 연료극 지지체를 이용한 스택 구조를 제공함에 있다.In addition, another problem to be solved by the present invention, in the design of the stack structure constituting the solid oxide fuel cell is used in the stack by using a bonded flat tubular support formed with two fuel cell unit cells in one flat tubular support In addition to reducing the number of supports to be provided in the stack structure using a bonded flat-type anode support for solid oxide fuel cells that is easy and efficient in connecting each support in series or in parallel.

또한, 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는, 하나의 평관형 지지체에 두 개의 연료전지 단위셀이 형성된 접합형 평관형 지지체를 상층과 하층으로 적층할 뿐만 아니라 좌측과 우측으로 입체적으로 적층함으로써, 다수개의 소면적 평관형 지지체로 용이하게 고출력의 연료전지 스택을 구현할 수 있는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체를 이용한 스택 구조를 제공함에 있다.In addition, another problem to be solved by the present invention is a multi-layered laminated flat tubular support in which two fuel cell unit cells are formed in one flat tubular support as well as an upper layer and a lower layer as well as three-dimensionally stacked left and right. The present invention provides a stack structure using a bonded flat tube support for a solid oxide fuel cell, which can easily implement a high power fuel cell stack with four small area flat tube supports.

본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체는 길이 방향으로 단면이 다각형 또는 곡각형 형상인 하나 이상의 기체 유로가 형성되어 있는 고체산화물 연료전지용 평관형 지지체에 있어서, 상면에 제1 전극 및 제2 전극이 형성되어 있으며, 하면에 기체 유로의 상부를 이루는 오목 홈이 길이 방향으로 형성되어 있는 상부 플레이트와; 하면에 제3 전극 및 제4 전극이 형성되어 있으며, 상면에 기체 유로의 하부를 이루는 오목 홈이 길이 방향으로 형성되어 있는 하부 플레이트; 및 상기 상부 플레이트의 하면과 하부 플레이트의 상면 사이에 위치하여 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트를 상호 접합하며 전기적으로 절연하는 접합절연부재를 포함하여 구성되며, 상기 상부 플레이트, 제1 전극, 및 제2 전극이 제1 연료전지 단위셀을 형성하며, 상기 하부 플레이트, 제3 전극, 및 제4 전극이 제2 연료전지 단위셀을 형성하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the technical problem of the present invention, the bonded flat tubular support for a solid oxide fuel cell is a flat tubular support for a solid oxide fuel cell in which at least one gas flow path having a polygonal or curved shape in cross section in a longitudinal direction is formed. An upper plate having a first electrode and a second electrode formed thereon, the upper plate having a concave groove forming an upper portion of the gas flow path in a length direction on a lower surface thereof; A lower plate having a third electrode and a fourth electrode formed on a lower surface thereof, and having a concave groove forming a lower portion of the gas flow path formed in a length direction on an upper surface thereof; And a junction insulating member positioned between a lower surface of the upper plate and an upper surface of the lower plate to electrically connect the upper plate and the lower plate to each other and electrically insulate the upper plate, the first electrode, and the second electrode. The first fuel cell unit cell is formed, and the lower plate, the third electrode, and the fourth electrode form a second fuel cell unit cell.

이때, 상기 제1 전극 및 제3 전극은 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 각각의 표면에 형성된 고체 전해질층과, 상기 고체 전해질층 상면에 형성된 공기극층으로 이루어진 양극층으로 구성하며, 상기 제2 전극 및 제4 전극은 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 각각에 전기적으로 연통되는 음극층으로 구성하는 경우 접합형 평관형 연료극 지지체를 형성하게 된다.At this time, the first electrode and the third electrode is composed of a positive electrode layer formed of a solid electrolyte layer formed on the surface of each of the upper plate and the lower plate, and the cathode layer formed on the upper surface of the solid electrolyte layer, the second electrode and the third electrode When the four electrodes are composed of a cathode layer electrically connected to each of the upper plate and the lower plate, the four electrodes form a bonded flat tubular anode support.

특히, 상기 상부 플레이트의 상면에 하방으로 절곡되어 형성되며, 상면에 제1 전극으로 이루어지는 양극층이 형성되는 상판 전극홈과; 상기 하부 플레이트의 하면에 상방으로 절곡되어 형성되며, 하면에 제3 전극으로 이루어지는 양극층이 형성되어 있는 하판 전극홈을 더 포함하여 구성하여 각각의 양극층에 공기가 잘 유통될 수 있도록 할 수 있다.In particular, the upper electrode groove is formed bent downward on the upper surface of the upper plate, the upper electrode groove is formed with an anode layer consisting of a first electrode on the upper surface; The lower plate is bent upwardly and formed, and further includes a lower electrode groove in which an anode layer formed of a third electrode is formed on the lower plate, so that air can be well distributed to each anode layer. .

한편, 상기 제1 전극 및 제3 전극은 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 각각의 표면에 형성된 고체 전해질층과, 상기 고체 전해질층 상면에 형성된 연료극층으로 이루어진 음극층으로 구성하며, 상기 제2 전극 및 제4 전극은 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 각각에 전기적으로 연통되어 양극층으로 구성하는 경우 접합형 평관형 공기극 지지체를 형성하게 된다.On the other hand, the first electrode and the third electrode is composed of a solid electrolyte layer formed on the surface of each of the upper plate and the lower plate, and a cathode layer consisting of a fuel electrode layer formed on the upper surface of the solid electrolyte layer, the second electrode and the third electrode The four electrodes are electrically connected to each of the upper plate and the lower plate to form a junction type flat cathode support when the anode layer is formed.

이때에도, 상기 상부 플레이트의 상면에 하방으로 절곡되어 형성되며, 상면에 제1 전극으로 이루어지는 음극층이 형성되는 상판 전극홈과; 상기 하부 플레이트의 하면에 상방으로 절곡되어 형성되며, 하면에 제3 전극으로 이루어지는 음극층이 형성되어 있는 하판 전극홈을 더 포함하여 구성하여 각각의 음극층에 연료가스가 잘 유통될 수 있도록 할 수도 있다.At this time, the upper electrode groove is formed bent downward on the upper surface of the upper plate, the upper electrode groove is formed on the upper surface of the negative electrode layer; The lower plate may be bent upwardly and formed to further include a lower electrode groove having a cathode layer formed of a third electrode on the lower surface thereof, so that fuel gas may be well distributed to each cathode layer. have.

그리고, 상기 접합절연부재는 상기 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 구성하는 물질의 열팽창 계수의 70 ~ 130% 범위 내의 열팽창 계수를 가지는 전기절연성 물질을 사용함으로써 고온에서 작동하는 경우에 발생할 수 있는 각종 문제를 미연에 예방할 수 있다.In addition, the junction insulating member does not solve various problems that may occur when operating at a high temperature by using an electrically insulating material having a thermal expansion coefficient within a range of 70 to 130% of the thermal expansion coefficient of the material constituting the upper plate and the lower plate. Can be prevented.

본 발명의 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체를 이용한 스택 구조는, 앞서 상술한 구성을 가지는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체 다수 개를 상하로 적층하되, 상층과 하층의 접합형 평관형 지지체 각각의 제1 전극, 제2 전극, 제3 전극, 및 제4 전극을 직렬 또는 병렬 구조에 맞게 전기적으로 연통시켜 주는 전기연결재; 및 상층과 하층의 접합형 평관형 지지체 사이에 삽입되어 일정한 간격을 유지시켜 주는 전기절연성 재질의 절연간극부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In order to solve the other technical problem of the present invention, a stack structure using a bonded flat plate support for a solid oxide fuel cell may be formed by stacking a plurality of bonded flat pipe supports for a solid oxide fuel cell having the above-described configuration, An electrical connection member for electrically connecting the first electrode, the second electrode, the third electrode, and the fourth electrode of each of the lower bonded junction tubular supports in a series or parallel structure; And an insulating gap member made of an electrically insulating material inserted between the upper and lower bonded flat tubular supports to maintain a constant gap.

또한, 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체 다수 개를 상하 및 좌우로 입체적으로 적층하되, 상층과 하층, 좌측과 우측의 접합형 평관형 지지체 각각의 제1 전극, 제2 전극, 제3 전극, 및 제4 전극을 직렬 또는 병렬 구조에 맞게 전기적으로 연통시켜 주는 전기연결재; 상층과 하층의 접합형 평관형 지지체 사이에 삽입되어 일정한 간격을 유지시켜 주는 전기절연성 재질의 절연간극부재; 및 좌측과 우측의 접합형 평관형 지지체 사이에 삽입되어 전기적으로 절연시켜 주는 전기절연성 재질의 절연분리부재를 포함하여 구성하여 다수개의 소면적 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체로 고출력의 연료전지 스택을 구현할 수 있다.In addition, a plurality of bonded flat tubular supports for solid oxide fuel cells are stacked three-dimensionally up and down and left and right, and the first electrode, second electrode, third electrode, And an electrical connector for electrically communicating the fourth electrodes in series or parallel structure. An insulating gap member made of an electrically insulating material inserted between the upper and lower bonded flat tubular supports to maintain a constant gap; And a fuel cell stack with a plurality of bonded flat tubular supports for small-area solid oxide fuel cells, comprising an insulating insulating member made of an electrically insulating material inserted between the left and right bonded flat tubular supports to electrically insulate them. Can be implemented.

한편, 앞서 언급한 상기 상판 전극홈과 하판 전극홈이 형성된 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체 다수 개를 상하로 적층하는 경우에는, 상층과 하층의 접합형 평관형 지지체 각각의 제1 전극, 제2 전극, 제3 전극, 및 제4 전극을 직렬 또는 병렬 구조에 맞게 전기적으로 연통시켜 주는 전기연결재를 포함하여 구성되며, 상기 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체 다수 개를 상하로 적층함에 따라 상층의 상기 하판 전극홈과 하층의 상기 상판 전극홈이 자연스럽게 기체 유로를 형성하는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 연료극 지지체를 이용한 스택 구조를 구현할 수 있다.On the other hand, in the case of stacking a plurality of bonded flat pipe supports for a solid oxide fuel cell in which the upper electrode grooves and the lower electrode grooves mentioned above are stacked up and down, each of the first electrode, first It comprises an electrical connection material for electrically connecting the second electrode, the third electrode, and the fourth electrode in series or parallel structure, the upper layer by stacking a plurality of bonded flat pipe support for the solid oxide fuel cell up and down The lower electrode groove of the lower electrode and the upper electrode groove of the lower layer may implement a stack structure using a bonded flat tube anode support for a solid oxide fuel cell, which naturally forms a gas flow path.

또한, 상기 상판 전극홈과 하판 전극홈이 형성된 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체 다수 개를 상하 및 좌우로 입체적으로 적층하는 경우에도, 상층과 하층, 좌측과 우측의 접합형 평관형 지지체 각각의 제1 전극, 제2 전극, 제3 전극, 및 제4 전극을 직렬 또는 병렬 구조에 맞게 전기적으로 연통시켜 주는 전기연결재; 및 좌측과 우측의 접합형 평관형 지지체 사이에 삽입되어 전기적으로 절연시켜 주는 전기절연성 재질의 절연분리부재를 포함하여 구성되며, 상기 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체 다수 개를 상하로 적층함에 따라 상층의 상기 하판 전극홈과 하층의 상기 상판 전극홈이 자연스럽게 기체 유로를 형성하는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체를 이용한 스택 구조도 구현할 수 있음은 물론이다.In addition, in the case where a plurality of bonded flat pipe supports for solid oxide fuel cells in which the upper electrode grooves and the lower electrode grooves are formed are three-dimensionally stacked up and down and left and right, An electrical connection member for electrically communicating the first electrode, the second electrode, the third electrode, and the fourth electrode in a series or parallel structure; And an insulating isolation member made of an electrically insulating material inserted between the left and right bonded flat tubular supports to electrically insulate the plurality of bonded flat tubular supports for the solid oxide fuel cell. It is a matter of course that a stack structure using a bonded flat tubular support for a solid oxide fuel cell in which the upper electrode grooves in the upper layer and the upper electrode grooves in the lower layer naturally form a gas flow path may be implemented.

본 발명은 하나의 평관형 지지체에 두 개의 연료전지 단위셀을 형성함으로써 일정 전압을 출력하기 위해 고체 산화물 연료전지에 사용되는 평관형 지지체의 개수를 줄일 수 있고 경제적으로도 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, by forming two fuel cell unit cells in one flat tubular support, the number of flat tubular supports used in a solid oxide fuel cell for outputting a constant voltage can be reduced, and the cost can be economically reduced. There is this.

본 발명은 하나의 평관형 지지체에 하나 이상의 기체 유로를 형성하여 연료가스 또는 공기의 유출입이 원활하게 진행되도록 하고 각 전극으로의 연료가스 또는 공기의 확산이 용이하게 이루어져 최대한 넓은 면적에 직접 접촉하도록 함으로써 연료전지 단위셀 당 전력밀도를 높일 수 있는 다른 장점이 있다.The present invention forms one or more gas flow paths in one flat tubular support so that the inflow and outflow of fuel gas or air can proceed smoothly, and the fuel gas or air can be easily diffused to each electrode to make direct contact with the largest area. There is another advantage to increase the power density per unit fuel cell.

본 발명은 하나의 평관형 지지체에 두 개의 연료전지 단위셀이 형성된 접합형 평관형 지지체를 사용하여 고체산화물 연료전지의 스택을 구성함으로써, 사용되는 지지체의 개수가 감소하여 연료전지의 물리적 부피를 효율적으로 줄일 수 있으며 각 지지체의 직렬 또는 병렬연결 배치구조를 설계하기가 매우 용이한 또 다른 장점이 있다.According to the present invention, a stack of solid oxide fuel cells is constructed by using a bonded flat tubular support having two fuel cell unit cells formed on one flat tubular support, thereby reducing the number of supports used to efficiently increase the physical volume of the fuel cell. Another advantage is that it can be reduced and it is very easy to design a series or parallel connection arrangement of each support.

본 발명은 하나의 평관형 지지체에 두 개의 연료전지 단위셀이 형성된 접합형 평관형 지지체를 상층과 하층뿐만 아니라 좌측과 우측으로 입체적으로 적층하여 스택을 형성함으로써, 기본 출력전압이 증가된 소면적 접합형 평관형 지지체 다수개로 대면적 평관형 지지체를 대체할 수 있어 고출력 스택을 용이하게 구현할 수 있는 또 다른 장점이 있다.The present invention provides a small area junction in which the basic output voltage is increased by stacking a junction type flat tube support in which two fuel cell unit cells are formed in one flat tube support in a three-dimensional manner as well as in the upper and lower layers. A large number of flat tubular supports can be substituted for a large area flat tubular support, which is another advantage of facilitating a high power stack.

도 1(a)는 본 발명에 따른 접합형 평관형 지지체의 분리 사시도이고, 도 1(b)는 본 발명에 따른 접합형 평관형 지지체의 결합 사시도이다.
도 2(a)는 본 발명에 따른 접합형 평관형 지지체의 평면도이고, 도 2(b)는 본 발명에 따른 접합형 평관형 지지체의 저면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 접합형 평관형 지지체의 측면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 접합형 평관형 연료극 지지체를 이용한 스택 구조의 일실시예이다.
도 5는 본 발명에 따른 접합형 평관형 연료극 지지체를 이용한 스택 구조의 다른 일실시예이다.1 (a) is an exploded perspective view of the bonded flat tubular support according to the present invention, Figure 1 (b) is a combined perspective view of the bonded flat tubular support according to the present invention.
Figure 2 (a) is a plan view of the bonded flat tubular support according to the invention, Figure 2 (b) is a bottom view of the bonded flat tubular support according to the present invention.
3 is a side view of a bonded flat tubular support according to the present invention.
Figure 4 is an embodiment of a stack structure using a bonded flat tubular anode support according to the present invention.
5 is another embodiment of a stack structure using a bonded flat tubular anode support according to the present invention.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1(a)는 본 발명에 따른 접합형 평관형 지지체의 분리 사시도이고, 도 1(b)는 본 발명에 따른 접합형 평관형 지지체의 결합 사시도이고, 도 2(a)는 본 발명에 따른 접합형 평관형 지지체의 평면도이며, 도 2(b)는 본 발명에 따른 접합형 평관형 지지체의 저면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 접합형 평관형 지지체의 측면도이다.Figure 1 (a) is an exploded perspective view of the bonded flat tubular support according to the invention, Figure 1 (b) is a combined perspective view of the bonded flat tubular support according to the invention, Figure 2 (a) is in accordance with the present invention Fig. 2 (b) is a bottom view of the bonded flat tubular support according to the present invention, and Fig. 3 is a side view of the bonded flat tubular support according to the present invention.

도 1, 도 2, 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체(100)는 상면에 제1 전극(111) 및 제2 전극(112)이 형성되어 있는 상부 플레이트(110)와, 하면에 제3 전극(121) 및 제4 전극(122)이 형성되어 있는 하부 플레이트(120)와, 얇은 판 형상의 접합절연부재(130)가 일체를 이루며 하나의 지지체를 구성하는데, 상기 상부 플레이트(110)와 제1 전극(111), 제2 전극(112)이 제1 연료전지 단위셀을, 상기 하부 플레이트(120)와 제3 전극(121), 제4 전극(122)이 제2 연료전지 단위셀을 형성하여 하나의 연료극 지지체에 두 개의 연료전지 단위셀이 형성되게 된다.1, 2, and 3, the bonded flat tubular support 100 for a solid oxide fuel cell according to the present invention has an upper surface on which a first electrode 111 and a second electrode 112 are formed. The plate 110, the lower plate 120 having the third electrode 121 and the fourth electrode 122 formed thereon, and the thin plate-shaped junction insulating member 130 are integrally formed to form one support. The upper plate 110, the first electrode 111, and the second electrode 112 form a first fuel cell unit cell, and the lower plate 120, the third electrode 121, and the fourth electrode ( 122, the second fuel cell unit cell is formed so that two fuel cell unit cells are formed on one anode support.

이때, 상기 상부 플레이트(110)의 하면에는 상방으로 절곡된 오목홈이 길이 방향으로 형성되어 있으며, 상기 하부 플레이트(120)의 상면에는 하방으로 절곡된 오몸홈이 역시 길이 방향으로 형성되어 있으며, 이로써 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)가 접합되었을 때 상기 상부 플레이트(110) 하면의 오목홈과 하부 플레이트(120) 상면의 오목홈이 일체를 이루어 기체 유로(140)를 형성하게 된다. 본 실시예에서는 상기 기체 유로(140)의 단면이 사각형 형상을 이루고 있지만, 다른 다각형 형상을 이루도록 할 수 있음은 물론이고, 제조가 용이하도록 일정한 모서리 곡률을 가지는 곡각형 형상을 이루도록 할 수도 있다. 또한, 본 실시예에서는 하나의 상기 기체 유로(140)가 상기 접합형 평관형 지지체(100)의 길이 방향으로 관통하여 형성되어 있지만, 기계적인 강도를 확보하기 위하여 상기 기체 유로(140) 내에 격벽을 형성하여 안정적으로 제조, 운용할 수 있도록 하는 것도 가능하다.At this time, the lower surface of the upper plate 110 is formed with a concave groove bent upwards in the longitudinal direction, the upper groove of the lower plate 120 is also formed in the longitudinal direction bent downward grooves, thereby When the upper plate 110 and the lower plate 120 are bonded, the concave grooves on the lower surface of the upper plate 110 and the concave grooves on the upper surface of the lower plate 120 are integrally formed to form the gas flow path 140. In the present embodiment, the cross section of the gas flow passage 140 has a rectangular shape, but may also have a different polygonal shape, and of course, may have a curved shape having a constant corner curvature to facilitate manufacturing. In addition, in the present embodiment, one gas flow path 140 is formed to penetrate in the longitudinal direction of the bonded flat tubular support 100, but a partition wall is formed in the gas flow path 140 to secure mechanical strength. It is also possible to form and to stably manufacture and operate.

한편, 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)는 고체산화물 연료전지의 작동온도에서 양극층에 생성된 산소 이온이 전해질을 통하여 음극층까지 잘 전달될 수 있도록 높은 기공률을 가짐과 아울러, 음극층에서 산소와 수소가 반응하여 생성된 전자가 잘 이동할 수 있도록 우수한 전기전도도를 가지며, 충격에 잘 견딜 수 있도록 높은 기계적 강도를 갖는 물질로 제작하여야 하는데, 일산화니켈(NiO)과 이트리아 안정화 지르코니아(Yittria Stabilized Zirconia, YSZ)의 도성합금(NiO-YSZ cermet)을 이용하는 것이 바람직하다.Meanwhile, the upper plate 110 and the lower plate 120 have a high porosity so that oxygen ions generated in the anode layer can be transferred to the cathode layer through the electrolyte at the operating temperature of the solid oxide fuel cell, and the cathode It has to be made of a material having good electrical conductivity so that the electrons generated by reaction of oxygen and hydrogen in the layer can move well and high mechanical strength to withstand shock. Nickel monoxide (NiO) and yttria stabilized zirconia It is preferable to use NiO-YSZ cermet of Yittria Stabilized Zirconia (YSZ).

그리고, 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)를 접합하는 경우, 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)가 직접 접하는 면에는 상기 접합절연부재(130)가 위치하게 되는데, 상기 접합절연부재(130)는 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120) 상호간에 가스의 유통이나 전기의 유통을 완벽히 차단할 수 있도록 치밀성 및 전기 절연성을 동시에 가지는 재질을 이용하여 제조하도록 하는데 굳이 얇은 박판 형상을 이룰 필요는 없으며, 상기 접합절연부재(130)와 상부 플레이트(110) 및 하부 플레이트(120)를 매우 단단하게 접합하여 상기 기체 유로(140)로 유통되는 연료가스 또는 공기가 외부로 누출되지 않도록 밀봉되기만 하면 된다.In addition, when the upper plate 110 and the lower plate 120 are bonded to each other, the bonding insulation member 130 is positioned on a surface where the upper plate 110 and the lower plate 120 directly contact each other. The insulating member 130 is manufactured by using a material having both density and electrical insulation at the same time so as to completely block the flow of gas or electricity between the upper plate 110 and the lower plate 120. It is not necessary to achieve this, and the bonding insulating member 130 and the upper plate 110 and the lower plate 120 are bonded very tightly so that fuel gas or air circulated to the gas flow path 140 does not leak to the outside. It just needs to be sealed.

아울러 상기 접합절연부재(130)는 고체산화물 연료전지의 작동온도에서 상기 상부 플레이트(110) 및 하부 플레이트(120)와 동일하거나 유사한, 구체적으로는 ± 30% 범위 내의 열팽창 계수를 가지는 물질로 구성하여야 한다. 예를 들어 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)가 일산화니켈-이트리아 안정화 지르코니아(NiO-YSZ) 도성합금 재질로 제조되는 경우, 상기 일산화니켈-이트리아 안정화 지르코니아 도성합금 재질은 10.5×10-6 ~ 13.5×10-6 K-1의 열팽창 계수를 가지는 물질이므로 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)의 접합면 사이에 위치하는 상기 접합절연부재(130)는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 또는 가돌리늄으로 도핑된 산화세슘(GDC)과 같이 11×10-6 ~ 13×10-6 K-1의 열팽창 계수를 가지는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120) 및 상기 접합절연부재(130)가 동일하거나 유사한 열팽창 계수를 가지도록 구성함으로써 650℃ 이상의 연료전지 작동온도에서 고체산화물 연료전지 스택을 운전할 시에 고온 장기운전 안정성이 보장되며 부하추종 열-사이클에서도 열팽창 계수 차이에 의한 연료전지 스택의 구성요소간의 계면박리나 상기 상부 플레이트(110) 및 하부 플레이트(120)와 상기 접합절연부재(130) 간의 상호 분리를 방지할 수 있다.In addition, the junction insulating member 130 should be made of a material having a coefficient of thermal expansion within the range of ± 30%, the same or similar to the upper plate 110 and lower plate 120 at the operating temperature of the solid oxide fuel cell. do. For example, when the upper plate 110 and the lower plate 120 are made of a nickel monoxide-yttria stabilized zirconia (NiO-YSZ) conductive alloy material, the nickel monoxide-yttria stabilized zirconia conductive alloy material is 10.5 ×. Since the material has a coefficient of thermal expansion of 10 −6 to 13.5 × 10 −6 K −1 , the junction insulating member 130 positioned between the junction surface of the upper plate 110 and the lower plate 120 is yttria stabilized zirconia. It is preferable to use a material having a coefficient of thermal expansion of 11 × 10 −6 to 13 × 10 −6 K −1 , such as (YSZ) or cesium oxide (GDC) doped with gadolinium. As such, when the upper plate 110, the lower plate 120, and the junction insulating member 130 have the same or similar thermal expansion coefficients, the solid oxide fuel cell stack is operated at a fuel cell operating temperature of 650 ° C. or higher. Long-term high temperature stability is ensured and the interface between the components of the fuel cell stack due to the difference in thermal expansion coefficient or the mutual interaction between the upper plate 110 and the lower plate 120 and the junction insulating member 130 in the load tracking heat cycle. Separation can be prevented.

한편, 앞서 언급하였듯이 상기 상부 플레이트(110)의 상면에는 제1 전극(111)과 제2 전극(112)이 형성되어 있으며, 상기 하부 플레이트(120)의 하면에는 제3 전극(121)과 제4 전극(122)이 형성되어 있는데, 상기 접합형 평관형 지지체(100)가 연료극 지지체인 경우에는 상기 제1 전극(111)과 제3 전극(121)은 양극층 역할을 하게 되고 상기 제2 전극(112)과 제4 전극(122)은 음극층 역할을 하게 된다, 그리고 상기 접합형 평관형 지지체(100)가 공기극 지지체인 경우에는 상기 제1 전극(111)과 제3 전극(121)이 음극층 역할을 하고 상기 제2 전극(112)과 제4 전극(122)이 양극층 역할을 하게 된다. 이때, 상기 제1 전극(111)과 제2 전극(112), 제3 전극(121)과 제4 전극(122)은 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 각 전극을 구분하여 임의로 지칭한 것이며, 그 위치와 크기 등도 스택의 구조나 배선 등을 고려하여 임의로 형성할 수 있다.Meanwhile, as mentioned above, the first electrode 111 and the second electrode 112 are formed on the upper surface of the upper plate 110, and the third electrode 121 and the fourth electrode are formed on the lower surface of the lower plate 120. An electrode 122 is formed. When the bonded flat tubular support 100 is a cathode support, the first electrode 111 and the third electrode 121 serve as an anode layer and the second electrode ( 112 and the fourth electrode 122 serve as a cathode layer, and when the junction-type flat tubular support 100 is a cathode support, the first electrode 111 and the third electrode 121 are cathode layers. The second electrode 112 and the fourth electrode 122 serve as an anode layer. In this case, the first electrode 111 and the second electrode 112, the third electrode 121 and the fourth electrode 122 are arbitrarily referred to by dividing each electrode in order to clearly describe the present invention, the position And size can also be arbitrarily formed in consideration of the structure of the stack, the wiring and the like.

상기 접합형 평관형 지지체(100)가 연료극 지지체인 경우에는 내부의 상기 기체 유로(140)에는 연료가스가 유통되게 되며, 접합형 평관형 지지체(100) 외부에는 공기가 유통되게 된다. 그리고 상기 접합형 평관형 지지체(100)가 공기극 지지체인 경우에는 내부의 상기 기체 유로(140)에는 공기가 유통되게 되며, 접합형 평관형 지지체(100) 외부에는 연료가스가 유통되게 된다.When the bonded flat tubular support 100 is an anode support, fuel gas is flowed through the gas flow path 140 therein, and air is distributed through the outside of the joined flat tubular support 100. When the bonded flat tubular support 100 is a cathode support, air flows through the gas flow path 140 therein, and fuel gas flows through the outside of the joined flat tubular support 100.

먼저 상기 접합형 평관형 지지체(100)가 연료극 지지체인 경우에 양극층을 이루는 상기 제1 전극(111)과 제3 전극(121)을 살펴보면, 상기 제1 전극(111)과 제2 전극(112)은 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)의 상면에 각각 고체 전해질층을 적층하고 상기 고체 전해질층 상면에 공기극층이 적층되어 형성된다. 상기 고체 전해질층은 산소 투과성이면서도 전기적으로는 전기절연성을 가지는 재질을 사용하는데 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 또는 가돌리늄으로 도핑된 산화세륨(Gadolinium Doped Ceria, GDC)을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 고체 전해질층 상에 적층된 공기극층은 페로브스카이트 구조의 LSM((La,Sr)MnO3), LSCF((La,Sr)(Co,Fe)O3), LSC((La,Sr)CoO3) 등을 사용하여 제조하는 것이 좋다.First, when the bonded flat tubular support 100 is the anode support, the first electrode 111 and the third electrode 121 forming the anode layer will be described. The first electrode 111 and the second electrode 112 will be described. ) Is formed by stacking a solid electrolyte layer on the upper surface of the upper plate 110 and the lower plate 120, respectively, and a cathode layer on the upper surface of the solid electrolyte layer. The solid electrolyte layer is oxygen permeable and electrically insulating material, it is preferable to use a yttria stabilized zirconia (YSZ) or gadolinium doped cerium oxide (Gadolinium Doped Ceria, GDC), the solid electrolyte The cathode layer laminated on the layer was formed of perovskite structure LSM ((La, Sr) MnO 3 ), LSCF ((La, Sr) (Co, Fe) O 3 ), LSC ((La, Sr) CoO 3 It is good to manufacture using).

그리고, 음극층을 이루는 제2 전극(112)과 제4 전극(122)은 상기 고체 전해질층을 통하여 전달되는 산소이온과 연료극 지지체의 기공을 통하여 전달되는 수소가 반응이 잘 일어날 수 있도록 삼상계면(Three Phase Boundary)이 넓고 수소분위기 즉, 산소분압이 매우 낮은 조건에서도 전기전도도가 좋은 재질로 구성되어야 하는데, 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)의 재질과 동일한 일산화니켈과 이트리아 안정화 지르코니아 도성합금(NiO-YSZ cermet)을 사용할 수 있다.In addition, the second electrode 112 and the fourth electrode 122 constituting the cathode layer may have a three-phase interface such that oxygen ions delivered through the solid electrolyte layer and hydrogen delivered through pores of the anode support may easily react. It should be composed of a material having good electrical conductivity even under a wide three-phase boundary and a low hydrogen atmosphere, that is, a low oxygen partial pressure. Ceramic alloys (NiO-YSZ cermet) can be used.

한편, 상기 공기극층은 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100) 표면 외부에 유통되는 공기에서 산소를 받아들여 투과하는 역할을 하는데 안정적으로 산소를 공급받기 위하여 되도록이면 넓게 구성하는 것이 바람직하고, 따라서 본 실시예에서 구현한 바와 같이 공기극층을 포함하는 상기 제1 전극(111)과 제3 전극(121)을 제2 전극(112)과 제4 전극(122)보다 넓게 구성하여 안정적인 동작을 하도록 한다.On the other hand, the cathode layer serves to receive and permeate oxygen in the air circulated outside the surface of the junction-type flat fuel electrode support 100, preferably configured to be as wide as possible in order to receive oxygen stably. As implemented in the embodiment, the first electrode 111 and the third electrode 121 including the cathode layer are configured to be wider than the second electrode 112 and the fourth electrode 122 to perform stable operation.

아울러 도 3(a)와 같이 상기 상부 플레이트(110)의 상면과 하부 플레이트(120)의 하면을 평평하게 형성하고 그 위에 상기 공기극층을 포함하는 상기 제1 전극(111)과 제3 전극(121)을 형성할 수도 있지만, 도 3(b)와 같이 상기 상부 플레이트(110)의 상면에서 하방으로 절곡된 상부 전극홈(150)과 상기 하부 플레이트(120)의 하면에서 상방으로 절곡된 하부 전극홈(160)을 형성하고 각각의 전극홈에 제1 전극(111)과 제3 전극(121)을 형성할 수도 있다.In addition, as shown in FIG. 3 (a), the upper surface of the upper plate 110 and the lower surface of the lower plate 120 are formed flat and the first electrode 111 and the third electrode 121 including the cathode layer thereon. ) May be formed, but the upper electrode groove 150 bent downward from the upper surface of the upper plate 110 and the lower electrode groove bent upward from the lower surface of the lower plate 120 as shown in FIG. The first electrode 111 and the third electrode 121 may be formed in each of the electrode grooves.

도 3(b)와 같이 구성함으로써 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)를 적층하여 연료전지 스택(200)을 구성하였을 때 자연스럽게 공기가 유통될 수 있는 유로를 형성하게 되며, 평평하게 형성하였을 때보다 연료극 지지체 상호간의 간격을 줄일 수 있어 연료전지 스택(200) 자체의 부피를 줄일 수 있는 장점도 있다.As shown in FIG. 3 (b), when the junction type flat tubular anode support 100 is stacked to form the fuel cell stack 200, a flow path through which air can be naturally flowed is formed, and when it is formed flat. Since the distance between the anode support members can be reduced, there is an advantage in that the volume of the fuel cell stack 200 itself can be reduced.

한편, 상기 접합형 평관형 지지체(100)가 공기극 지지체인 경우에는 상기 제1 전극(111)과 제3 전극(121)은 음극층을 구성하는데, 상기 제1 전극(111)과 제2 전극(112)은 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)의 상면에 각각 고체 전해질층을 적층하고 상기 고체 전해질층 상면에 연료극층이 적층되어 형성된다. 상기 고체 전해질층은 앞서 언급하였듯이 산소 투과성이면서도 전기적으로는 전기절연성을 가지는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 또는 가돌리늄으로 도핑된 산화세륨(Gadolinium Doped Ceria, GDC)을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 고체 전해질층 상에 적층된 연료극층은 상기 고체 전해질층을 통하여 전달되는 산소이온과 외면에 유통되는 연료가스에서 전달되는 수소이온의 반응이 잘 일어날 수 있는 일산화니켈과 이트리아 안정화 지르코니아 도성합금(NiO-YSZ cermet)을 사용하는 것이 좋다.On the other hand, when the bonded flat tubular support 100 is a cathode support, the first electrode 111 and the third electrode 121 constitute a cathode layer, and the first electrode 111 and the second electrode ( 112 is formed by stacking a solid electrolyte layer on the upper surfaces of the upper plate 110 and the lower plate 120, respectively, and a fuel electrode layer on the upper surface of the solid electrolyte layer. As mentioned above, it is preferable to use yttria-stabilized zirconia (YSZ) or gadolinium doped cerium oxide (Gadolinium Doped Ceria, GDC), which has oxygen permeability and electrical insulation as mentioned above. The anode layer laminated on the nickel monoxide and yttria stabilized zirconia conductive alloy (NiO-YSZ cermet) capable of well reacting the oxygen ions delivered through the solid electrolyte layer and the hydrogen ions delivered from the fuel gas circulated on the outer surface of the anode layer ) Is recommended.

그리고, 양극층을 이루는 제2 전극(112)과 제4 전극(122)은 앞서 설명한 연료극 지지체의 공기극층과 같이 페로브스카이트 구조의 LSM((La,Sr)MnO3), LSCF((La,Sr)(Co,Fe)O3), LSC((La,Sr)CoO3) 등을 사용하여 제조하도록 한다.The second electrode 112 and the fourth electrode 122 constituting the anode layer are formed of LSM ((La, Sr) MnO 3 ) and LSCF ((La) having a perovskite structure, as in the cathode layer of the anode support described above. , Sr) (Co, Fe) O 3 ), LSC ((La, Sr) CoO 3 ) and the like.

상기 연료극층은 상기 접합형 평관형 공기극 지지체(100) 표면 외부에 유통되는 연료가스에서 수소를 안정적으로 공급받기 위하여 되도록이면 넓게 구성하는 것이 바람직하고, 따라서 본 실시예에서 구현한 바와 같이 연료극층을 포함하는 상기 제1 전극(111)과 제3 전극(121)을 제2 전극(112)과 제4 전극(122)보다 넓게 구성하도록 한다.The anode layer is preferably configured to be as wide as possible in order to stably receive hydrogen from fuel gas circulated outside the surface of the junction-type flat cathode support 100. Therefore, the anode layer is implemented as described in the present embodiment. The first electrode 111 and the third electrode 121 may be configured to be wider than the second electrode 112 and the fourth electrode 122.

물론, 도 3(b)와 같이 상부 전극홈(150)과 하부 전극홈(160)을 형성하고 각각에 제1 전극(111)과 제3 전극(121)을 형성함으로써 상기 접합형 평관형 공기극 지지체(100)를 적층하여 연료전지 스택(200)을 구성하였을 때 자연스럽게 연료가스가 유통될 수 있는 유로를 형성하게 된다.Of course, by forming the upper electrode groove 150 and the lower electrode groove 160 and the first electrode 111 and the third electrode 121, respectively, as shown in FIG. When the fuel cell stack 200 is configured by stacking the 100, a flow path through which fuel gas can be naturally distributed is formed.

이와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따라 상기 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체(100)가 연료극 지지체인 경우의 동작을 살펴보면, 먼저 상기 기체 유로(140)를 통하여 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)에 수소를 함유한 연료가스를 유통시켜주고 상기 병합형 연료극 지지체(100)의 외부에는 산소를 함유한 공기를 공급하여 준다. 이후에 산소 분압의 차이를 유지해 주면 상기 제1 전극(111)과 제3 전극(121)에 형성된 고체 전해질층을 통해 산소가 이동하려는 구동력이 형성되게 되는데, 상기 고체 전해질층은 전자전도성은 낮은 반면 높은 이온전도성만 가지고 있으므로 공기극층에서 전자를 받아 이온화된 산소이온이 고체 전해질층을 통과하여 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120) 내부로 진입하게 된다. 이와 같이 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120) 내부로 진입한 산소이온은 연료가스에서 공급되는 수소와 반응하여 전자를 방출하고 수증기로 변환된다. 이러한 반응이 계속 일어날 수 있도록 지속적으로 산소와 수소를 공급하여 주면, 전자는 제2 전극(112)과 제4 전극(122)에 형성된 음극층을 통하여 외부의 도선으로 흐르게 되며, 이때 발생하는 전기에너지를 인출하여 이용하게 된다.According to an embodiment of the present invention configured as described above, when the solid oxide fuel cell bonded flat tube support 100 is an anode support, the operation will be described. First, the bonded planar anode support through the gas flow passage 140 will be described. A fuel gas containing hydrogen is circulated to the 100 and oxygen-containing air is supplied to the outside of the coalescing anode support 100. Subsequently, if the oxygen partial pressure is maintained, a driving force to move oxygen is formed through the solid electrolyte layers formed on the first electrode 111 and the third electrode 121. The solid electrolyte layer has low electron conductivity. Since it has only high ion conductivity, ionized oxygen ions received from the cathode layer pass through the solid electrolyte layer to enter the upper plate 110 and the lower plate 120. As such, the oxygen ions entering the upper plate 110 and the lower plate 120 react with hydrogen supplied from the fuel gas to emit electrons and are converted into water vapor. If oxygen and hydrogen are continuously supplied such that the reaction can continue, electrons flow through the cathode layers formed on the second electrode 112 and the fourth electrode 122 to an external conductor, and the electrical energy generated at this time is generated. Withdraw will be used.

한편, 상기 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체(100)가 공기극 지지체인 경우에는 상술한 연료극 지지체인 경우의 동작과 매우 유사하므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.On the other hand, when the solid oxide fuel cell junction type flat support 100 is a cathode support is very similar to the operation in the case of the anode support described above, a detailed description thereof will be omitted.

이상에서 간단하게 살펴 본 바와 같이 본 발명은 일반적인 고체산화물 연료전지용 평관형 지지체와는 다르게 제1 전극(111)과 제2 전극(112) 및 제3 전극(121)과 제4 전극(122)을 통하여 2개의 연료전지 단위셀에서 발생하는 전기에너지를 이용할 수 있게 되고, 따라서 하나의 접합형 평관형 지지체(100)에서 출력할 수 있는 개회로 전압은 기존의 평관형 지지체에서 출력되는 개회로 전압인 1.00 ~ 1.20 V보다 2배 증가한 2.00 ~ 2.40 V를 나타내게 된다. As briefly described above, the present invention is different from the general flat tubular support for a solid oxide fuel cell, so that the first electrode 111 and the second electrode 112, the third electrode 121, and the fourth electrode 122 are different from each other. Through the use of the electrical energy generated in the two fuel cell unit cells, and thus the open circuit voltage that can be output from one of the bonded flat tubular support 100 is the open circuit voltage output from the conventional flat tubular support It is 2.00 ~ 2.40 V which is doubled from 1.00 ~ 1.20 V.

다음에는 이와 같이 구성된 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)를 이용한 스택 구조를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.Next, a stack structure using the bonded flat tubular anode support 100 configured as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4와 도 5는 본 발명에 따른 접합형 평관형 연료극 지지체를 이용한 스택 구조의 일실시예이다.4 and 5 is an embodiment of a stack structure using a bonded flat tubular anode support according to the present invention.

먼저 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 접합형 평관형 연료극 지지체(100)를 이용한 연료전지 스택의 일실시예는 상하로 적층된 접합형 평관형 연료극 지지체(100)와, 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 전극을 상호 연결하는 전기연결재(210)와, 적층된 상기 병합형 연료극 지지체(100) 사이에 공간을 확보하는 절연간극부재(220)를 포함하여 구성된다.First, referring to FIG. 4, one embodiment of a fuel cell stack using the bonded flat cathode support 100 according to the present invention is a bonded flat pipe anode support 100 stacked up and down, and the bonded flat pipe type. It comprises an electrical connecting member 210 for interconnecting the electrodes of the anode support 100, and the insulating gap member 220 to secure a space between the laminated anode support (100).

이때, 하나의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)의 제1 전극(111)과 하부 플레이트(120)의 제4 전극(122)을 전기연결재(210)를 이용하여 연결하여 주고, 상층의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 하부 플레이트(120)의 제3 전극(121)과 하층의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)의 제2 전극(112)을 전기연결재(210)를 이용하여 연결하여 준다. 이와 같이 연결하여 주면 하나의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)에서 상부 플레이트(110)가 이루는 제1 연료전지 단위셀과 하부 플레이트(120)가 이루는 제2 연료전지 단위셀이 전기적으로 직렬 연결을 형성하고, 상층의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 하부 플레이트(120)가 이루는 제2 연료전지 단위셀과 하층의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)가 이루는 제1 연료전지 단위셀이 전기적으로 직렬 연결을 형성하게 되어 전체적으로 상기 연료전지 스택(200)은 각 연료전지 단위셀 모두가 전기적으로 직렬 연결되는 구조를 가지게 된다.In this case, the first electrode 111 of the upper plate 110 and the fourth electrode 122 of the lower plate 120 of the bonded flat tubular anode support 100 are connected to each other using an electrical connector 210. The second electrode 121 of the lower plate 120 of the bonded flat tubular anode support 100 of the upper layer and the second plate of the upper plate 110 of the joined flat tube anode support 100 of the lower layer are formed. The electrode 112 is connected using the electrical connector 210. In this connection, the first fuel cell unit cell formed by the upper plate 110 and the second fuel cell unit cell formed by the lower plate 120 are electrically connected in series in one of the junction-type flat cathode support 100. And a second fuel cell unit cell formed by the lower plate 120 of the bonded flat tubular anode support 100 of the upper layer and the upper plate 110 of the joined flat tubular anode support 100 of the lower layer The first fuel cell unit cells are electrically connected in series so that the fuel cell stack 200 has a structure in which all of the fuel cell unit cells are electrically connected in series.

그리고, 이와 같이 전기적으로 직렬 구조를 가지는 연료전지 스택(200)에서 최상층 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)의 제2 전극(112)과 최하층 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 하부 플레이트(120)의 제3 전극(121)을 각각 출력단자로 이용하여 전기에너지를 외부로 인출하게 한다. In the fuel cell stack 200 having the electrically series structure as described above, the second electrode 112 and the lowest layer bonded flat tube anode support 100 of the upper plate 110 of the uppermost junction flat tube anode support 100 are connected. Using the third electrode 121 of the lower plate 120 of the bottom) as an output terminal to draw the electrical energy to the outside.

앞서 언급하였듯이 일반적으로 하나의 연료극 지지체에서는 1.00 ~ 1.20V의 개회로 전압을 획득할 수 있으므로, 직렬 구조의 연료전지 스택(200)은 적층된 연료극 지지체의 개수에 1.00 ~ 1.20V를 곱한 값을 개회로 전압으로 획득하게 된다. 그러나, 본 발명에 따른 접합형 평관형 연료극 지지체(100)를 이용하여 직렬 구조의 연료전지 스택(200)을 구성하는 경우에는 앞서 상술하였듯이 하나의 접합형 평관형 연료극 지지체(100)에 두 개의 연료전지 단위셀이 직렬 연결되어 있으므로 전체적으로 적층된 연료극 지지체의 개수에 1.00 ~ 1.20V를 곱한 값의 2배에 해당되는 개회로 전압을 획득할 수 있게 된다. As mentioned above, in general, since one open circuit voltage of 1.00 to 1.20V can be obtained in one anode support, the fuel cell stack 200 of the series structure multiplies the number of stacked anode supports by 1.00 to 1.20V. Is obtained by the voltage. However, in the case of configuring the fuel cell stack 200 having a series structure using the bonded flat cathode support 100 according to the present invention, as described above, two fuels are included in one bonded flat cathode support 100. Since the battery unit cells are connected in series, it is possible to obtain an open circuit voltage corresponding to twice the value of the number of the stacked anode supports multiplied by 1.00 to 1.20V.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이 4개의 연료극 지지체를 적층하여 연료전지 스택(200)을 구성하는 경우에, 일반적인 연료극 지지체 4개로 구성된 연료전지 스택이라면 4*(1.00 ~ 1.20)=(4.00 ~ 4.80)V의 개회로 전압을 획득할 수 있지만, 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)로 구성된 연료전지 스택(200)은 4*(1.00 ~ 1.20)*2=(8.00 ~ 9.60)V의 개회로 전압을 획득할 수 있게 되는 것이다. 바꾸어 생각하면 8V 정도의 개회로 전압을 획득하기 위하여 연료전지 스택(200)을 구성하는 경우에 일반적인 연료극 지지체는 8개를 적층하여야 하는 반면에, 본 발명에 따른 접합형 평관형 연료극 지지체(100)는 4개만 적층하여도 목적한 개회로 전압을 획득할 수 있으므로 획기적으로 연료전지 스택(200)의 부피를 줄일 수 있고 제조비용 또한 획기적으로 절감할 수 있게 된다.That is, in the case of configuring the fuel cell stack 200 by stacking four anode supports as shown in FIG. 4, if a fuel cell stack including four common anode supports is 4 * (1.00 to 1.20) = (4.00 to 4.80) Although an open circuit voltage of) V can be obtained, the fuel cell stack 200 composed of the junction-type flat cathode support 100 has an open circuit of 4 * (1.00 to 1.20) * 2 = (8.00 to 9.60) V. The voltage can be obtained. In other words, in the case of configuring the fuel cell stack 200 in order to obtain an open circuit voltage of about 8V, eight common anode supports should be stacked, whereas the bonded flat fuel electrode support 100 according to the present invention is used. Since the desired open circuit voltage can be obtained by stacking only four, the volume of the fuel cell stack 200 can be drastically reduced, and the manufacturing cost can also be drastically reduced.

한편, 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)를 적층하고 각 전극을 상기 전기연결재(210)를 이용하여 연결하여 줄 때, 각 층의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100) 사이에 전기절연성 재질의 막대 형상의 절연간극부재(220)를 삽입하여 상기 전기연결재(210)가 상호 간섭을 일으키지 않도록 함과 동시에 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100) 사이에 충분한 공간을 확보하여 공기가 잘 유통되도록 유로가 형성되도록 한다.On the other hand, when the laminated flat tubular anode support 100 is laminated and each electrode is connected by using the electrical connection material 210, an electrically insulating material between the bonded flat tubular anode support 100 of each layer. Insert the rod-shaped insulating gap member 220 of the to prevent the electrical connection member 210 from interfering with each other and at the same time to ensure sufficient space between the bonded flat tubular anode support 100 to ensure good air flow Allow the flow path to be formed.

다음으로 도 5를 참조하면, 도 4에는 상하로만 적층된 연료전지 스택(200)이 개시되어 있는 반면, 도 5에는 상하뿐만 아니라 좌우로도 적층된 연료전지 스택(200)이 개시되어 있다. 즉, 본 발명에 따른 접합형 평관형 연료극 지지체(100)를 이용한 연료전지 스택의 또 다른 일실시예는 상하 및 좌우로 입체적으로 적층된 접합형 평관형 연료극 지지체(100)와, 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 전극을 상호 연결하는 전기연결재(210)와, 상층과 하층의 상기 병합형 연료극 지지체(100) 사이에 공간을 확보하는 절연간극부재(220)와, 좌측과 우측의 상기 병합형 연료극 지지체 사이를 절연시켜주는 절연분리부재(230)를 포함하여 구성된다.Next, referring to FIG. 5, the fuel cell stack 200 stacked only up and down is illustrated in FIG. 4, while the fuel cell stack 200 stacked up and down as well as up and down is illustrated in FIG. 5. That is, another embodiment of the fuel cell stack using the bonded flattened cathode support 100 according to the present invention is a bonded flattened anode support 100 stacked three-dimensionally in the vertical direction and the left and right, the bonded flat An electrical connection member 210 interconnecting the electrodes of the tubular anode support 100, an insulation gap member 220 for securing a space between the upper and lower layers of the merged anode support 100, and the left and right sides of the It is configured to include an insulating separation member 230 for insulating between the hybrid anode support.

먼저 좌우측의 전기적 연결 상태를 살펴보면, 좌측의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)의 제1 전극(111)과 우측의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)의 제2 전극(112)을 전기연결재(210)로 연결하여 주고, 좌측의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 하부 플레이트(120)의 제4 전극(122)과 우측의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 하부 플레이트(120)의 제3 전극(121)을 전기연결재(210)로 연결하여 주며, 우측의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)의 제1 전극(111)과 하부 플레이트(120)의 제4 전극(122)을 전기연결재(210)로 연결하여 준다. 이와 같이 구성함으로써 좌측의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110), 우측의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110), 우측의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 하부 플레이트(120), 좌측의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 하부 플레이트(120)가 순서대로 전기적 직렬 연결된 구조를 이루게 된다.First, the left and right sides of the electrical connection state, the first electrode 111 of the upper plate 110 of the bonded flat tubular anode support 100 on the left side and the upper plate of the joined flat tubular anode support 100 on the right side The second electrode 112 of the 110 is connected to the electrical connector 210, and the fourth electrode 122 of the lower plate 120 of the bonded flat tubular anode support 100 on the left side and the right side of the second electrode 112 on the left side of the junction plate 110 are connected. The third electrode 121 of the lower plate 120 of the bonded flat tubular anode support 100 is connected to the electrical connector 210, and the upper plate 110 of the bonded flat tubular anode support 100 on the right side is connected. The first electrode 111 of) and the fourth electrode 122 of the lower plate 120 are connected to the electrical connector 210. By such a configuration, the upper plate 110 of the bonded flat tubular anode support 100 on the left side, the upper plate 110 of the bonded flat tubular anode support 100 on the right side, and the joined flat tubular fuel electrode on the right side The lower plate 120 of the support 100, the lower plate 120 of the bonded flat tubular anode support 100 on the left side in order to form a structure electrically connected in series.

다음으로 상층과 하층의 전기적 연결 상태를 보면 상층 좌측의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 하부 플레이트(120)의 제3 전극(121)과 하층 좌측의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)의 제2 전극(112)이 전기연결재(210)로 연결되어 있으며, 우측의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100) 상층과 하층은 전기적 연결이 없다. Next, when the upper and lower layers are electrically connected, the third electrode 121 of the lower plate 120 of the bonded flat tubular anode support 100 on the left side of the upper layer and the bonded flat tubular anode support 100 on the left side of the lower layer are shown. The second electrode 112 of the upper plate 110 of) is connected to the electrical connector 210, and the upper and lower layers of the bonded flat tubular anode support 100 on the right side have no electrical connection.

이와 같이 구성함으로써 상층 좌측의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 하부 플레이트(120)와 하층 좌측의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)가 전기적 직렬 연결되어 전체적으로 모든 연료전지 단위셀이 전기적으로 직렬 연결된 구조를 이루게 된다.In this configuration, the lower plate 120 of the bonded flattened cathode support 100 on the upper left side and the upper plate 110 of the joined flattened anode support 100 on the lower left are electrically connected in series. The fuel cell unit cells are electrically connected in series.

그리고, 이와 같이 전기적으로 직렬 구조를 가지는 연료전지 스택(200)에서 좌측 최상층 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)의 제2 전극(112)과 좌측 최하층 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 하부 플레이트(120)의 제3 전극(121)을 각각 출력단자로 이용하여 전기에너지를 외부로 인출하게 한다. 이 경우에도 도 4에 개시된 일실시예에서와 같이 사용된 접합형 평관형 연료극 지지체(100) 개수의 두 배의 연료전지 단위셀이 직렬 연결된 개회로 전압을 획득할 수 있게 된다.In the fuel cell stack 200 having the electrical series structure as described above, the second electrode 112 and the left bottom layer junction type flat tube anode support of the top plate 110 of the left top layer junction type flat cathode support 100 are left. The third electrode 121 of the lower plate 120 of 100 is used as an output terminal to draw electrical energy to the outside. In this case, too, the fuel cell unit cell twice as many as the number of the junction-type flat cathode support 100 used as in the embodiment disclosed in FIG. 4 can obtain an open circuit voltage connected in series.

또한, 적층된 상층과 하층의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100) 사이는 상기 절연간극부재(220)를 이용하여 분리하여 주는 것은 앞서 설명한 바와 마찬가지이며, 좌측과 우측의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100) 사이는 박판 형상의 상기 절연분리부재(230)를 이용하여 분리하여 주도록 한다.In addition, the separation between the stacked upper and lower layers of the bonded flat tubular anode support 100 using the insulating gap member 220 is the same as described above, and the joined flat tubular fuel electrodes on the left and right sides are separated. Between the support 100 to be separated using the insulating separation member 230 of the thin plate shape.

한편, 상기 절연분리부재(230)는 좌측과 우측의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100) 상호간에 가스의 유통이나 전기의 유통을 완벽히 차단할 수 있도록 치밀성 및 전기 절연성을 동시에 가지는 재질로 구성하여야 하는데, 상기 접합절연부재(130)와 동일하거나 유사한 재질을 사용하는 것이 좋다. 그리고, 좌측과 우측의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100) 상호간에 기체 유로(140)는 연통되어야 하기 때문에, 상기 절연분리부재(230)에는 기체 유로(140)에 대응하여 좌우측을 관통하는 통공을 형성하여 준다.On the other hand, the insulating separation member 230 is to be made of a material having a dense and electrical insulation at the same time to completely block the flow of gas or the flow of electricity between the junction type flat tubular anode support 100 on the left and right sides It is preferable to use the same or similar material as the junction insulating member 130. In addition, since the gas flow passage 140 should be in communication with the bonded flat tubular anode support 100 on the left side and the right side, the insulating separation member 230 passes through the left and right sides corresponding to the gas flow passage 140. To form.

도 5에 개시된 일실시예에서와 같이 상층과 하층뿐만 아니라 좌측과 우측으로 입체적으로 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)를 적층하여 줌으로써, 기본 전압이 높은 소면적의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)를 다수개 사용하여 연료전지 스택의 출력을 높이는 방식으로 대면적 평관형 연료극 지지체를 대체하게 된다. 결론적으로 대면적 평관형 연료극 지지체와 비교하여 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100) 각각은 소면적임에 따라 발생 전류는 낮으면서도 전체 연료전지 스택(200)의 기전력은 상승시켜 출력값을 향상시킬 수 있게 되는 장점이 있는 것이다.As in the exemplary embodiment of FIG. 5, the bonded flat tube anode support 100 is three-dimensionally stacked to the left and right sides as well as the upper and lower layers, thereby providing a small area of the bonded planar fuel electrode support having a high basic voltage. Using a large number of (100) to replace the large area flat tubular anode support in a way to increase the output of the fuel cell stack. In conclusion, as compared to the large-area flat cathode support, each of the bonded flat cathode support 100 has a small area so that the generated current is low and the electromotive force of the entire fuel cell stack 200 can be increased to improve the output value. It has the advantage of being.

도 4와 도 5에 개시된 일실시예에서는 각 연료전지 단위셀 모두가 직렬 연결된 연료전지 스택(200)이 개시되어 있는데, 적층된 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 각 층의 상부 플레이트(110)가 이루는 연료전지 단위셀 상호 간은 직렬 연결하고, 각 층의 하부 플레이트(120)가 이루는 연료전지 단위셀 상호 간도 직렬 연결한 후에, 상부 플레이트(110)가 이루는 연료전지 단위셀 전체와 하부 플레이트(120)가 이루는 연료전지 단위셀 전체는 병렬 연결하여 연료전지 스택(200)을 구성할 수도 있으며, 이 외에도 여러 가지 다른 방법으로 직렬 또는 병렬 연결된 연료전지 스택(200)을 구성할 수 있음은 물론이다.4 and 5, a fuel cell stack 200 in which all fuel cell unit cells are connected in series is disclosed, and the upper plate 110 of each layer of the laminated flat tubular anode support 100 is stacked. The fuel cell unit cells formed by) are connected in series, and the fuel cell unit cells formed by the lower plate 120 of each layer are also connected in series, and then the entire fuel cell unit cells formed by the upper plate 110 and the lower plate are formed. The entire fuel cell unit cell formed by the 120 may be connected in parallel to form the fuel cell stack 200. In addition, the fuel cell stack 200 may be configured in series or in parallel in various other ways. to be.

그리고, 도 3(b)와 같이 상기 상부 전극홈(150)과 하부 전극홈(160)이 각각 형성된 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100)를 상하로 적층하여 도 4, 도 5, 또는 기타 스택 구조를 구성하는 경우에는 상층과 하층의 상기 접합형 평관형 연료극 지지체(100) 사이에 공기가 잘 유통되도록 유로를 형성하기 위하여 상기 절연간극부재(220)를 사용하지 않더라도 자연스럽게 상하로 적층함에 따라 상층의 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 상기 하부 전극홈(160)과 하층의 접합형 평관형 연료극 지지체(100)의 상기 상부 전극홈(150)이 유로를 형성하게 된다. 따라서, 보다 더 상기 연료전지 스택(200)의 부피를 줄일 수 있게 됨은 앞서 설명한 바와 같다.As shown in FIG. 3 (b), the junction type flat tubular anode support 100 having the upper electrode groove 150 and the lower electrode groove 160 formed thereon, respectively, is stacked up and down, and FIG. 4, FIG. 5, or other stacks. In the case of constituting the structure, the upper layer and the lower layer are naturally stacked up and down even without using the insulating gap member 220 to form a flow path so that air flows well between the bonded flat tubular anode support 100 of the lower layer. The lower electrode groove 160 of the bonded flat tubular anode support 100 and the upper electrode groove 150 of the joined flat tubular anode support 100 of the lower layer form a flow path. Therefore, the volume of the fuel cell stack 200 can be further reduced as described above.

한편, 상기 접합형 평관형 지지체(100)가 연료극 지지체인 경우를 대상으로 상기 연료전지 스택(200)의 구조를 설명하였는데, 상기 접합형 평관형 지지체(100)가 공기극 지지체인 경우에도 본 실시예들을 응용하여 용이하게 상기 연료전지 스택(200)의 구조를 구현할 수 있음은 물론이다.Meanwhile, the structure of the fuel cell stack 200 has been described in the case where the bonded flat tubular support 100 is an anode support, but the present embodiment is also true when the bonded flat tubular support 100 is an air cathode support. Of course, the structure of the fuel cell stack 200 may be easily implemented by applying them.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. In addition, it is obvious that any person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains can make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.

100 - 접합형 평관형 (연료극/공기극) 지지체
110 - 상부 플레이트 111 - 제1 전극
112 - 제2 전극 120 - 하부 플레이트
121 - 제3 전극 122 - 제4 전극
130 - 접합절연부재 140 - 기체 유로
150 - 상부 전극홈 160 - 하부 전극홈
200 - 연료전지 스택 210 - 전기연결재
220 - 절연간극부재 230 - 절연분리부재100-bonded flat tube (fuel / air) supports
110-upper plate 111-first electrode
112-second electrode 120-lower plate
121-third electrode 122-fourth electrode
130-bonded insulation member 140-gas flow path
150-Upper Electrode Groove 160-Lower Electrode Groove
200-fuel cell stack 210-electrical connectors
220-insulation gap member 230-insulation separation member

Claims (10)

길이 방향으로 단면이 다각형 또는 곡각형 형상인 하나 이상의 기체 유로가 형성되어 있는 고체산화물 연료전지용 평관형 지지체에 있어서,
상면에 제1 전극 및 제2 전극이 형성되어 있으며, 하면에 기체 유로의 상부를 이루는 오목 홈이 길이 방향으로 형성되어 있는 상부 플레이트;
하면에 제3 전극 및 제4 전극이 형성되어 있으며, 상면에 기체 유로의 하부를 이루는 오목 홈이 길이 방향으로 형성되어 있는 하부 플레이트; 및
상기 상부 플레이트의 하면과 하부 플레이트의 상면 사이에 위치하여 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트를 상호 접합하며 전기적으로 절연하는 접합절연부재를 포함하여 구성되며,
상기 상부 플레이트, 제1 전극, 및 제2 전극이 제1 연료전지 단위셀을 형성하며, 상기 하부 플레이트, 제3 전극, 및 제4 전극이 제2 연료전지 단위셀을 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체.A flat tubular support for a solid oxide fuel cell in which at least one gas flow passage having a polygonal or curved shape in cross section in a longitudinal direction is formed,
An upper plate having a first electrode and a second electrode formed on an upper surface thereof, and having a concave groove forming an upper portion of the gas flow path formed in a length direction on a lower surface thereof;
A lower plate having a third electrode and a fourth electrode formed on a lower surface thereof, and having a concave groove forming a lower portion of the gas flow path formed in a length direction on an upper surface thereof; And
Located between the lower surface of the upper plate and the upper surface of the lower plate and comprises a junction insulating member for electrically insulated from the upper plate and the lower plate,
And the upper plate, the first electrode, and the second electrode form a first fuel cell unit cell, and the lower plate, the third electrode, and the fourth electrode form a second fuel cell unit cell. Bonded flat tubular support for oxide fuel cells. 제1항에 있어서,
상기 제1 전극 및 제3 전극은 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 각각의 표면에 형성된 고체 전해질층과, 상기 고체 전해질층 상면에 형성된 공기극층으로 이루어진 양극층을 구성하며,
상기 제2 전극 및 제4 전극은 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 각각에 전기적으로 연통되어 음극층을 구성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체.The method of claim 1,
The first electrode and the third electrode constitute a positive electrode layer formed of a solid electrolyte layer formed on the surface of each of the upper plate and the lower plate, and a cathode layer formed on an upper surface of the solid electrolyte layer.
And the second electrode and the fourth electrode are in electrical communication with each of the upper plate and the lower plate to form a cathode layer. 제2항에 있어서,
상기 상부 플레이트의 상면에 하방으로 절곡되어 형성되며, 상면에 제1 전극으로 이루어지는 양극층이 형성되는 상판 전극홈과;
상기 하부 플레이트의 하면에 상방으로 절곡되어 형성되며, 하면에 제3 전극으로 이루어지는 양극층이 형성되어 있는 하판 전극홈을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체.The method of claim 2,
An upper plate electrode groove bent downward on an upper surface of the upper plate and having an anode layer formed of a first electrode on an upper surface thereof;
Bonded flat tubular support for a solid oxide fuel cell, characterized in that the lower plate is bent upwardly formed, and further comprising a lower electrode groove formed with an anode layer formed of a third electrode on the lower surface. 제1항에 있어서,
상기 제1 전극 및 제3 전극은 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 각각의 표면에 형성된 고체 전해질층과, 상기 고체 전해질층 상면에 형성된 연료극층으로 이루어진 음극층을 구성하며,
상기 제2 전극 및 제4 전극은 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 각각에 전기적으로 연통되어 양극층을 구성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체.The method of claim 1,
The first electrode and the third electrode constitute a cathode layer comprising a solid electrolyte layer formed on the surface of each of the upper plate and the lower plate, and a fuel electrode layer formed on an upper surface of the solid electrolyte layer.
And the second electrode and the fourth electrode are in electrical communication with each of the upper plate and the lower plate to form an anode layer. 제4항에 있어서,
상기 상부 플레이트의 상면에 하방으로 절곡되어 형성되며, 상면에 제1 전극으로 이루어지는 음극층이 형성되는 상판 전극홈과;
상기 하부 플레이트의 하면에 상방으로 절곡되어 형성되며, 하면에 제3 전극으로 이루어지는 음극층이 형성되어 있는 하판 전극홈을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체.The method of claim 4, wherein
An upper plate electrode groove bent downward on an upper surface of the upper plate and having a cathode layer formed of a first electrode on an upper surface thereof;
Bonded flat tubular support for a solid oxide fuel cell, characterized in that the lower plate is bent upwardly formed, and further comprising a lower electrode groove having a cathode layer formed of a third electrode on the lower surface. 제1항에 있어서,
상기 접합절연부재는 상기 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 구성하는 물질의 열팽창 계수의 70 ~ 130% 범위 내의 열팽창 계수를 가지는 전기절연성 물질인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체.The method of claim 1,
And the junction insulating member is an electrically insulating material having a thermal expansion coefficient within a range of 70 to 130% of a thermal expansion coefficient of a material constituting the upper plate and the lower plate. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 구성을 가지는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체 다수 개를 상하로 적층하되,
상층과 하층의 접합형 평관형 지지체 각각의 제1 전극, 제2 전극, 제3 전극, 및 제4 전극을 직렬 또는 병렬 구조에 맞게 전기적으로 연통시켜 주는 전기연결재; 및
상층과 하층의 접합형 평관형 지지체 사이에 삽입되어 일정한 간격을 유지시켜 주는 전기절연성 재질의 절연간극부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 연료극 지지체를 이용한 스택 구조.A plurality of bonded flat pipe supports for solid oxide fuel cells having the configuration of any one of claims 1 to 6 are stacked up and down,
An electrical connection member for electrically connecting the first electrode, the second electrode, the third electrode, and the fourth electrode of each of the upper and lower bonded flat tubular supports in a series or parallel structure; And
A stack structure using a bonded flat tubular anode support for a solid oxide fuel cell, comprising: an insulating gap member made of an electrically insulating material inserted between the upper and lower bonded flat tubular supports to maintain a constant gap. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 구성을 가지는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체 다수 개를 상하 및 좌우로 입체적으로 적층하되,
상층과 하층, 좌측과 우측의 접합형 평관형 지지체 각각의 제1 전극, 제2 전극, 제3 전극, 및 제4 전극을 직렬 또는 병렬 구조에 맞게 전기적으로 연통시켜 주는 전기연결재;
상층과 하층의 접합형 평관형 지지체 사이에 삽입되어 일정한 간격을 유지시켜 주는 전기절연성 재질의 절연간극부재; 및
좌측과 우측의 접합형 평관형 지지체 사이에 삽입되어 전기적으로 절연시켜 주는 전기절연성 재질의 절연분리부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체를 이용한 스택 구조.A plurality of bonded flat pipe supports for solid oxide fuel cells having the configuration of any one of claims 1 to 6, three-dimensionally stacked vertically,
An electrical connector for electrically connecting the first electrode, the second electrode, the third electrode, and the fourth electrode of each of the upper and lower layers, the left and right bonded flat tubular supports in a series or parallel structure;
An insulating gap member made of an electrically insulating material inserted between the upper and lower bonded flat tubular supports to maintain a constant gap; And
A stack structure using a bonded flat tubular support for a solid oxide fuel cell, comprising: an insulating separation member of an electrically insulating material inserted between the left and right bonded flat tubular supports to electrically insulate. 제3항 또는 제5항의 구성을 가지는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체 다수 개를 상하로 적층하되,
상층과 하층의 접합형 평관형 지지체 각각의 제1 전극, 제2 전극, 제3 전극, 및 제4 전극을 직렬 또는 병렬 구조에 맞게 전기적으로 연통시켜 주는 전기연결재를 포함하여 구성되며,
상기 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체 다수 개를 상하로 적층함에 따라 상층의 상기 하판 전극홈과 하층의 상기 상판 전극홈이 자연스럽게 기체 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 연료극 지지체를 이용한 스택 구조.A plurality of bonded flat tubular supports for solid oxide fuel cells having the configuration of claim 3 or 5 are stacked up and down,
It comprises an electrical connection material for electrically connecting the first electrode, the second electrode, the third electrode, and the fourth electrode of each of the upper and lower bonded spherical tubular support according to the series or parallel structure,
Bonded flat tubular solid-state fuel cell, characterized in that the lower electrode groove of the upper layer and the upper electrode groove of the lower layer naturally forms a gas flow path by stacking a plurality of bonded flat pipe supports for the solid oxide fuel cell up and down. Stack structure using anode support. 제3항 또는 제5항의 구성을 가지는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체 다수 개를 상하 및 좌우로 입체적으로 적층하되,
상층과 하층, 좌측과 우측의 접합형 평관형 지지체 각각의 제1 전극, 제2 전극, 제3 전극, 및 제4 전극을 직렬 또는 병렬 구조에 맞게 전기적으로 연통시켜 주는 전기연결재; 및
좌측과 우측의 접합형 평관형 지지체 사이에 삽입되어 전기적으로 절연시켜 주는 전기절연성 재질의 절연분리부재를 포함하여 구성되며,
상기 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체 다수 개를 상하로 적층함에 따라 상층의 상기 하판 전극홈과 하층의 상기 상판 전극홈이 자연스럽게 기체 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 접합형 평관형 지지체를 이용한 스택 구조.A plurality of bonded flat tubular supports for solid oxide fuel cells having the configuration of claim 3 or 5, three-dimensionally stacked up and down, left and right,
An electrical connector for electrically connecting the first electrode, the second electrode, the third electrode, and the fourth electrode of each of the upper and lower layers, the left and right bonded flat tubular supports in a series or parallel structure; And
It is composed of an insulating insulating member of electrically insulating material inserted between the left and right bonded flat tubular support to electrically insulate,
Bonded flat tubular solid-state fuel cell, characterized in that the lower electrode groove of the upper layer and the upper electrode groove of the lower layer naturally forms a gas flow path by stacking a plurality of bonded flat pipe supports for the solid oxide fuel cell up and down. Stack structure using a support.
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