KR101199175B1 - 고체산화물 연료전지 - Google Patents

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Abstract

복수의 튜브형 또는 플랫 튜브형 고체산화물 연료전지 셀들을 길이 방향으로 서로 연결한 직렬 연결 구조를 구비하는 고체산화물 연료전지의 연결형 셀 구조가 제공된다. 고체산화물 연료전지의 연결형 셀 구조는 제1 전극, 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 사이의 전해질층을 각각 구비하는 튜브형 또는 플랫 튜브형 제1 셀 및 제2 셀과, 제1 셀의 중공부를 관통하는 제1 지지 부재, 및 제2 셀의 중공부를 관통하는 제2 지지 부재를 포함하고, 제1 및 제2 지지 부재들의 서로 마주하는 일단들은 고정 결합하며, 그에 의해 리액턴트가 흐르는 방향으로 제1 셀과 제2 셀이 연결된다.

Description

고체산화물 연료전지{Solid Oxide Fuel Cell}
본 발명은 고체산화물 연료전지에 관한 것으로 더욱 상세하게는 연결형 셀 구조를 가지는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC)는 무공해, 고효율 발전 등의 장점을 가지며, 정지형 발전시스템, 소형 독립전원 및 자동차 동력원으로 응용된다. SOFC 셀은 튜브형이나 플랫 튜브형(flat tube type) 또는 평판형으로 제작될 수 있고, 튜브형이나 플랫 튜브형의 경우, 캐소드 지지체형 셀(cathode supported cell), 다전지식 셀(segmented in series cell), 애노드 지지체형 셀(anode supported cell) 등의 구조로 제작될 수 있다.
현재, 1㎾부터 10㎾급의 소형 SOFC 시스템에는 주로 애노드 지지체형 SOFC 셀이 이용되고 있다. 그리고, 100㎾급 이상의 대형 SOFC 시스템에는 주로 캐소드 지지체형 SOFC 셀이나 다전지식 셀이 이용되고 있다.
본 발명은 복수의 튜브형 셀들을 길이 방향으로 서로 용이하게 연결할 수 있는 SOFC 셀의 연결구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 열응력이나 기계적 응력에 의해 잘 깨지지 않는 SOFC 연결형 셀 구조를 제공하여 대형 SOFC 시스템을 손쉽게 설계 및 제조하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 복수의 SOFC 셀들이 길이 방향으로 서로 연결된 SOFC 연결형 셀 구조를 이용하여 매니폴드 측면에서의 셀 개수를 크게 줄여 매니폴드의 설계를 단순화하고, 각 셀에 대한 균일한 연료 공급을 달성할 수 있도록 하며 복수의 SOFC 셀에서의 집전을 보다 용이하게 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면에 의하면, 제1 전극, 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이의 전해질층을 각각 구비하며, 중공의 튜브 형상을 갖는 최소한 두개 이상의 단위셀; 상기 단위셀의 중공부를 관통하여 상기 단위셀을 길이방향으로 연결하는 지지부재를 포함하는 연결형 셀 구조를 제공한다.
또한, 본 발명에서 상기 지지부재를 따라서 인접하는 단위셀을 연결하는 커넥터를 더 포함하고, 상기 커넥터는 응력에 의해 탄성적으로 변형가능하다.
또한, 본 발명에서 상기 단위셀과 커넥터 사이에는 실링부재가 구비될 수 있다.
또한, 상기 제2전극과 접하도록 결합되는 집전체를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 지지부재는 내부공간이 없는 로드(solid rod)이며, 이 로드는 단부에서 방사상으로 돌출된 링을 더 포함하고, 상기 링은 링을 통하여 유체가 흐를 수 있는 최소한 하나의 통공을 포함하며, 링이 외부에 노출되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 지지부재는 튜브의 측벽에 최소한 하나의 개구부를 포함할 수 있다.
본 발명에서 지지부재는 스테인리스강, 니켈 및 니켈합금중에서 선택된 어느 하나의 재료를 포함한다.
또한, 본 발명에서 단위셀과 지지부재사이에 다공성부재를 더 포함하며, 상기 다공성부재는 금속펠트, 금속메쉬 및 이들의 조합중에서 선택된 어느 하나의 재료를 포함한다.
또한, 본 발명에서 상기 지지부재는 상기 단위셀을 통하여 연장되는 최소한 두개의 서브 지지부재를 포함하고, 상기 서브 지지부재는 서로 인접하여 접하고 있는 것이 바람직하다. 이때 상기 서브 지지부재는 일단에서 연결된 숫나사부와 타단에서 연결된 암나사부를 포함하며, 상기 서브 지지부재의 숫나사부와 또 다른 서브 지지부재의 암나사부가 서로 체결 결합된다.
또한, 상기 서브 지지부재의 각각은 단부에서 방사상으로 돌출된 링을 더 포함하고, 상기 링은 링을 통하여 유체가 흐를 수 있는 최소한 하나의 통공을 포함한다.
또한, 상기 연결형 셀 구조의 단부에 위치한 제1단위셀의 서브 지지부재는 단부에 숫나사부를 포함하고, 상기 제1단위셀에 인접한 제2단위셀의 서브 지지부재는 상기 단부쪽에 숫나사부를 포함하고, 또 다른 단부에 암나사부를 포함하되, 상기 제1단위셀과 제2단위셀의 서브 지지부재는 제1단위셀의 서브지지부재의 숫나사부와 제2단위셀의 서브 지지부재의 암나사부와 상호 체결 결합되어 서로 접합된다.
또한, 본 발명에서 상기 제1단위셀의 서브 지지부재의 제2단부상에 단부 캡부재와 상기 제2단위셀의 서브 지지부재의 제1단부상에 단부 커넥터를 더 포함한다.
또한, 상기 제1 단부 커넥터는 상기 연결형 셀구조의 일단의 제1단위셀과 제1매니폴드를 연결하는 제1단부 커넥터를 더 포함한다.
또한, 본 발명에서 지지부재는 중공형 튜브를 포함하고, 제1단부 커넥터는 지지부재의 중공형 튜브와 연통하는 중공형 튜브를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 연결형 셀구조의 일단에서 제1단위셀과 제1매니폴드를 연결하는 제1단부 커넥터를 더 포함하고, 상기 연결형 셀구조의 타단에서 제2위셀과 제3매니폴드를 연결하는 제2단부 커넥터를 더 포함한다.
또한, 본 발명에서 상기 지지부재는 중공형 튜브를 포함하고, 제2단부 커넥터는 지지부재의 중공형 튜브와 연통하는 중공형 튜브를 더 포함한다.
또한, 상기 지지부재는 튜브의 측벽상에 최소한 하나의 개구부를 갖는 튜브를 포함한다.
또한, 본 발명에서 상기 서브 지지부재는 일단에 결합된 수나사부를 포함하되, 상기 서브 지지부재에 인접하여 연결된 숫나사부와 암나사부 어댑터와의 체결에 의하여 상호 접합된다.
또한, 본 발명에서 상기 서브 지지부재는 일단에 결합된 암나사부를 포함하되, 상기 서브 지지부재에 인접하여 연결된 암나사부와 숫나사부 어댑터와의 체결에 의하여 상호 접합된다.
또한, 본 발명에서 상기 서브 지지부재는 제1단부에 최소한 하나의 노치와 제2단부에 최소한 하나의 돌출부를 구비하여, 상기 돌출부와 노치는 맞춤 결합되며, 상기 서브 지지부재는 상기 서브 지지부재의 최소한 하나의 돌출부와 또 다른 서브 지지부재의 노치와의 체결에 의하여 상호 접합되고, 상기 최소 하나의 노치내에서 최소 하나의 돌출부와 고정결합되는 고정부재를 더 포함한다.
상기 최소한 하나의 돌출부와 노치는 노치내에서 돌출부의 회전유동이 방지되는 것이 바람직하다.
본 실시예들에 의하면 적어도 다음의 네 가지 효과가 있다.
첫째, 애노드 지지체형 SOFC 셀에 이용되는 튜브형 애노드 지지체는 통상 다공성 니켈-YSZ 서멧(cermet)과 같은 재료로 제조되는 데, 재료의 기계적 강도의 한계, 높은 내부 저항, 대면적화에 따른 수율 저하 등의 이유로 애노드 지지체형 SOFC 셀은 통상 길이 30㎝ 이하의 셀로 제작된다. 하지만, 본 실시예에서는 각 SOFC 셀에 구비되는 단단한 지지 부재들을 이용하여 복수의 튜브형 애노드 지지체형 SOFC 셀들을 길이 방향으로 서로 연결함으로써, 약 120㎝ 이상의 SOFC 연결형 셀 구조를 손쉽게 제공할 수 있다.
둘째, 복수의 애노드 지지체형 SOFC 셀들을 단순히 길이 방향으로 서로 연결하는 경우 (즉, 비교예의 경우), 연결된 셀들의 온도 분포 (또는 온도 차이)로 인해 발생하는 열응력이나, 연결된 셀들의 자체 무게로 인해 매니폴드와의 접속부 등에서 발생하는 기계적 응력에 의해 깨지기 쉽다. 하지만, 본 실시예에서는 각 SOFC 셀에 구비되는 단단한 지지 부재들을 이용하여 복수의 애노드 지지체형 SOFC 셀들을 연료 흐름 방향으로 연결함으로써, 열응력이나 기계적 응력에 의해 잘 깨지지 않는 SOFC 연결형 셀 구조를 제공할 수 있다. 아울러, 이러한 SOFC 연결형 셀 구조를 이용하면, 대형 SOFC 시스템을 손쉽게 설계 및 제조할 수 있다.
셋째, 복수의 애노드 지지체형 SOFC 셀들을 이용하여 단순히 대형 SOFC 시스템을 제조하는 경우 (즉, 다른 비교예의 경우), 상당히 많은 SOFC 셀들의 개수로 인하여 각 SOFC 셀들에 연료를 분배 공급하기 위한 매니폴드의 설계가 매우 어렵다. 하지만, 본 실시예에서는 복수의 SOFC 셀들이 길이 방향으로 서로 연결된 SOFC 연결형 셀 구조를 이용함으로써, 매니폴드 측면에서의 셀 개수를 크게 줄여 매니폴드의 설계를 단순화하고, 그것에 의해 각 셀에 대한 균일한 연료 공급을 손쉽게 달성할 수 있다.
넷째, 복수의 애노드 지지체형 SOFC 셀들을 길이 방향으로 단순히 서로 연결하여 그 길이를 증가시키는 경우 (즉, 또 다른 비교예의 경우), SOFC 셀들 간의 전기적 저항이 증가되어 외부 집전이 어렵다. 하지만, 본 실시예에서는 튜브형 또는 플랫 튜브형 SOFC 셀들의 중공부를 관통하는 도전성 지지 부재를 이용함으로써, SOFC 셀들 간의 전기적 저항을 증가시키지 않고 외부 집전을 용이하게 수행할 수 있다.
도 1a는 일 실시예에 따른 SOFC 연결형 셀 구조(이하, 연결형 셀 구조라 한다)의 개략적인 정면도.
도 1b 및 도 1c는 도 1a의 연결형 셀 구조에 채용가능한 SOFC 셀들을 설명하기 위한 단면도들.
도 2는 일 실시예에 따른 연결형 셀 구조의 부분 단면도.
도 3a는 도 2의 연결형 셀 구조의 지지 부재에 대한 단면도.
도 3b는 도 2의 연결형 셀 구조의 커넥터에 대한 단면도.
도 3c는 도 2의 연결형 셀 구조의 커넥터에 대한 정면도.
도 4는 도 2의 연결형 셀 구조를 이용하는 SOFC 스택을 설명하기 위한 단면도.
도 5는 또 다른 일 실시예의 연결형 셀 구조를 이용하는 SOFC 스택을 설명하기 위한 단면도.
도 6은 도 5의 SOFC 스택의 연결형 셀 구조에 이용되는 지지 부재의 단면도.
도 7은 또 다른 일 실시예에 따른 연결형 셀 구조의 부분 단면도.
도 8은 도 7의 연결형 셀 구조의 지지 부재에 대한 단면도.
도 9a 내지 도 9c는 도 7의 연결형 셀 구조를 이용하는 SOFC 스택의 제조 과정을 설명하기 위한 도면들.
도 10은 또 다른 일 실시예의 연결형 셀 구조를 이용하는 SOFC 스택을 설명하기 위한 단면도.
도 11은 도 10의 SOFC 스택의 연결형 셀 구조에 이용되는 지지 부재의 단면도.
도 12는 또 다른 일 실시예에 따른 연결형 셀 구조의 부분 단면도.
도 13은 도 12의 연결형 셀 구조의 지지 부재에 대한 단면도.
도 14a 내지 도 14c는 도 12의 연결형 셀 구조를 이용하는 SOFC 스택의 제조 과정을 설명하기 위한 도면들.
도 15은 또 다른 일 실시예의 연결형 셀 구조를 이용하는 SOFC 스택을 설명하기 위한 부분 단면도.
도 16은 도 15의 SOFC 스택의 연결형 셀 구조에 이용된 지지 부재의 단면도.
도 17a 및 도 17b는 일 실시예의 연결형 셀 구조에 채용가능한 다른 형태의 지지 부재들의 연결 구조를 설명하기 위한 단면도들.
도 18은 일 실시예의 연결형 셀 구조에 채용가능한 또 다른 형태의 지지 부재들의 연결 구조를 설명하기 위한 단면도.
이하 첨부한 도면을 참고하여 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 실시예의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 설명한다.
실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 아울러, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장될 수 있으며 실제의 층 두께나 크기와 다를 수 있다.
아래의 설명에서 언급되는 매니폴드는 유체의 원활한 공급, 분배 또는 배출을 위한 유로를 구비한 구조를 나타내며, 첨부된 도면과 관련 설명에서는 도시의 편의상 매니폴드를 형성하는 하우징 또는 경계벽 부분을 참조부호로 지칭하고 이를 매니폴드라고 언급한다.
도 1a는 일 실시예에 따른 SOFC 연결형 셀 구조(이하, 연결형 셀 구조라 한다)의 개략적인 정면도이다. 도 1b 및 도 1c는 도 1a의 연결형 셀 구조에 채용가능한 SOFC 셀들을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 연결형 셀 구조(100)는 길이 방향에서 서로 연결되는 복수의 튜브형 또는 플랫 튜브형 SOFC 셀들(10), 및 복수의 SOFC 셀들(10)의 연결 구조를 일단에서부터 타단까지 관통하도록 삽입된 단단한 지지 부재(30)를 구비한다. 복수의 SOFC 셀들(10)은 지지 부재(30)에 의해 기계적으로 또는 물리적으로 안정한 직렬 연결 구조를 구비한다. 직렬 연결 구조는 각각 소정 길이를 갖는 튜브형 또는 플랫 튜브형 SOFC 셀들을 길이 방향에서 일렬로 서로 연결된 구조를 말한다. 서로 인접한 SOFC 셀들 사이에는 커넥터(20)가 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 지지 부재(30)는 각 SOFC 단위 셀(10)의 중공부를 관통하도록 구비되면서 서로 인접한 SOFC 셀들에 각각 분할되어 구비되는 복수의 서브 지지 부재들이 길이 방향에서 서로 일체로 연결되도록 구성될 수 있다. 이때, 지지 부재(30)는 복수의 서브 지지부재로 구분가능하며, 또한 각 서브 지지부재를 구비한 각 SOFC 셀은 SOFC 서브셀로 언급될 수 있다. SOFC 서브셀(이하, 서브셀 또는 단위셀이라 한다)은 연결형 셀 구조를 구성하는 단위 셀 구조가 된다. 또한, 지지부재는 복수의 서브 지지부재로 이루어지는데 이하에서 지지부재로 칭하는 것이 서브 지지부재일 수 있다.
각 SOFC 단위셀(10)은 제1 전극(11), 제2 전극(15), 및 제1 전극과 제2 전극 사이의 전해질(13)을 구비한다. 제1 전극(11)은 애노드 또는 캐소드이다. 제2 전극(15)은 제1 전극(11)이 애노드일 때 캐소드가 되고, 제1 전극(11)이 캐소드일 때 애노드가 된다. 전해질(13)은 산소이온 또는 프로톤을 전달할 수 있는 이온 전도성 산화물 재료로 형성된다. SOFC 셀(10)은 애노드와 캐소드에 공급되는 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기와 물을 발생시키는 단위 유닛이 된다.
일 실시예에서, 제1 전극(11)의 재료로는 다공성 니켈/YSZ 서멧이 사용될 수 있다. 제2 전극(15)의 재료로는 다공성의 혼합 도전성 산화물(mixed conducting oxide)이 사용될 수 있다. 전해질(13) 재료로는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria stabilized zircornia, YSZ)가 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 지지 부재(30)가 적용될 수 있는 SOFC 셀은, 도 1b에 도시한 바와 같이, 실질적으로 원형 단면을 갖는 튜브형 SOFC 셀(10a)이거나, 도 1c에 도시한 바와 같이, 타원형 단면을 갖는 플랫 튜브형(flat-tube type) SOFC 셀(10b)일 수 있다. 튜브형 SOFC 셀(10a)의 경우, 지지 부재(30)는 SOFC 셀(10a)의 중공부(2a)에 삽입된다. 플랫 튜브형 SOFC 셀(10b)의 경우, 지지 부재(30)는 세 개의 중공부들 중에서 중앙측 중공부(2b)에 삽입될 수 있다.
본 실시예의 연결형 셀 구조는 기본적으로 애노드 지지체형 SOFC 셀들의 직렬 연결 구조를 위한 것이지만, 캐소드 지지체형 SOFC 셀이나 다전지식 셀 등의 튜브형 또는 플랫 튜브형 SOFC 셀에도 동일하게 적용할 수 있음은 당연하다. 이하, 연결형 셀 구조의 여러 형태에 대하여 아래에서 좀더 상세히 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 연결형 셀 구조의 부분 단면도이다. 도 3a는 도 2의 연결형 셀 구조의 지지 부재에 대한 단면도이다. 도 3b는 도 2의 연결형 셀 구조의 커넥터에 대한 단면도이다. 도 3c는 도 2의 연결형 셀 구조의 커넥터에 대한 정면도이다.
도 2를 참조하면, 연결형 셀 구조(200)는 연료가 흐르는 방향으로 서로 연결되는 복수의 서브셀들 또는 단위셀들(210a, 210b, 210c), 및 인접한 서브셀들 사이에 설치되는 커넥터(220)를 구비한다. 각 서브셀과 커넥터(220) 사이에는 밀봉재(250)가 구비될 수 있다.
각 서브셀(210a; 210b; 210c)은 튜브형 또는 플랫 튜브형 애노드 지지체를 형성하는 제1 전극(11), 제1 전극(11)의 외표면에 형성되는 고체 전해질(13), 고체 전해질(13) 상에 형성되는 제2 전극(13), 및 제1 전극(11)의 중공부에 삽입되는 지지 부재(230)를 구비한다. 지지 부재(230)와 제1 전극(11) 사이에는 다공성 부재(240)가 구비될 수 있다.
지지 부재(230)는 도 3a에 도시한 바와 같이 소정 길이를 가진 봉 형상의 몸체를(solid rod)(231)구비한다. 이 몸체는 내부가 비어있지 않는 로드로 칭할 수 있다. 몸체(231)는 내부에 빈 공간을 가지지 않고 원형 단면이나 원에 내접 또는 외접하는 다각형 단면을 가질 수 있다. 로드(231)의 양단부에는 또 다른 지지 부재와의 결합시 사용되는 암나사(233)와 수나사(235)가 각각 구비된다. 지지 부재(230)의 재료로는 스테인리스강, 니켈, 니켈 합금 등이 사용될 수 있다.
커넥터(220)는 연결형 셀 구조(200)에서 인접한 SOFC 셀들 간의 직접적인 접촉을 피하도록 설치될 수 있다. 커넥터(220)는 도전성 금속 재료로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 커넥터(220)는 도 3b 및 도 3c에 도시한 바와 같이 원판형 제1 부분(221a)과, 제1 부분(221a)의 가장자리에서 제1 부분(221a)의 두께 방향으로 연장되는 고리 형상의 제2 부분(221b)을 구비한다.
제1 부분(221a)의 크기는 서브셀의 단면의 크기와 거의 비슷하다. 제1 부분(221a)의 중앙부에는 지지 부재(230)가 길이 방향으로 삽입될 수 있는 제1 홀(223)이 구비되고, 제1 홀(223)의 주위에는 제1 부분(221a)을 두께 방향으로 관통하는 복수의 제2 홀들(224)이 구비된다. 복수의 제2 홀들(224)은 유체가 제1 부분(221a)을 관통하여 흐르도록 기능한다.
제1 부분(221a)의 일면에는 제2 부분(221b)의 연장 방향과 반대 방향으로 돌출된 돌기(221e)가 구비된다. 돌기(221e)는 인접한 두 서브셀들 중 제1 서브셀의 중공부에 끼워진다. 돌기(221e)는 제1 부분(221a)의 일면에 복수의 제2 홀들(224)를 둘러싸는 원형 고리 형상으로 실선 (또는 점선) 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 제2 부분(221b)의 적어도 일부분의 두께는 지지 부재(230)의 두께보다 얇고, 제2 부분(221b)의 말단부는 그 끝단(221d)이 상기 인접한 두 서브셀들 중 제2 서브셀의 중공부에 끼워지도록 굴곡된다. 굴곡된 부분에는 단차부(221c)가 구비될 수 있으며, 단차부(221c)는 제2 서브셀의 길이 방향의 일측면과 마주하도록 설치될 수 있다. 지지 부재(230)의 두께가 지지 부재(230)의 두께보다 얇으면, 연결형 셀 구조(200)의 작동시 셀들과 지지 부재들 사이에 압축 응력이 작용할 때, 커넥터(220)가 탄성적으로 반응하여, 연결형 셀 구조(200)에 발생한 원하지 않는 열응력을 감소시키는 효과가 있다.
다공성 부재(240)는 유체가 지지 부재(230)의 외표면을 따라 흐를 수 있도록 다공성 구조를 구비한다. 또한, 다공성 부재(240)는 각 서브셀 내에서 지지 부재(230)와 제1 전극(11)을 전기적으로 연결할 수 있도록 도전율이 우수한 재료로 형성된다. 다공성 부재(240)는 니켈 펠트(nickel felt), 니켈 이외의 다른 금속으로 이루어진 금속 펠트, 또는 금속 메시 등으로 형성될 수 있다.
밀봉재(250)는 서브셀과 커넥터(220) 사이를 밀봉하도록 구비된다. 밀봉재(250)로는 PYREX(상품명), 세라믹과 글래스(glass)의 복합체, Thermiculite #866(상품명) 등이 이용될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 서브셀과 커넥터 간의 경계 부분은 브레이징(brazing) 방식으로 직접 밀봉 접합될 수 있다.
일 실시예에 따른 연결형 셀 구조의 서브셀에 대한 제조 과정을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 40vol% 니켈(Ni)이 혼합된 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ) 분말에 활성탄(activated carbon), 유기 바인더, 물을 첨가하여 반죽하고, 반죽된 슬러리를 압출 성형한다. 그리고, 그것을 건조시킨 후, 약 1300℃에서 소결하여 애노드 지지체 튜브를 제조한다.
다음, YSZ 분말을 전해질 슬러리로 준비한 후, 전해질 슬러리를 슬러리 코팅법으로 애노드 지지체 튜브 위에 침적 도포(dip-coating)한다. 그리고, 애노드 지지체 튜브 상에 전해질 슬러리가 도포되어 있는 것을 실온에서 건조시킨 후, 약 1400℃에서 소결한다.
다음, (La,Sr)MnO3 (LSM) 분말을 캐소드 슬러리로 준비하고, 이 캐소드 슬러리를 애노드 지지체 튜브의 전해질층 위에 침적 도포한다. 그리고, 그것을 건조시킨 후, 약 1200℃에서 소결한다. 제조된 SOFC 셀의 외경은 약 20㎜, 내경은 약 16㎜, 길이는 약 300㎜이다.
다음, 스테인리스강으로 형성된 지지 부재(230)를 준비하고, 지지 부재(230)를 니켈 펠트로 감싼 후, 그것을 SOFC 셀의 중공부에 삽입하여 SOFC 서브셀을 제조한다.
도 4는 도 2의 연결형 셀 구조를 이용하는 SOFC 스택을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 SOFC 스택은 튜브형 또는 플랫 튜브형의 복수의 서브셀들(210a, 210b, 210c, 210d)에 각각 구비된 지지 부재들(230)을 서로 연결하여 하나의 연결형 셀 구조를 준비하고, 준비된 연결형 셀 구조를 복수개 적층 배치함으로써 제조된다. 각 연결형 셀 구조에 있어서, 서브셀들 사이에는 커넥터(220)가 삽입되고, SOFC 셀과 커넥터(220) 사이의 경계 부분은 밀봉재로 밀봉될 수 있다.
캐소드 집전을 위해 각 서브셀의 제2 전극 상에는 은(Ag) 와이어가 감기거나, La0 .9Sr0 .1CoO3 분말을 플라즈마 스프레이법으로 도포한 다공성의 캐소드 집전층이 형성될 수 있다. 또한, 캐소드 집전층의 재료로는 스테인리스와 니켈계 내열 합금으로 형성된 와이어나 메쉬가 이용될 수 있다. 본 실시예에서는 캐소드 집전을 위해 Ag 와이어(260)를 이용하고, 애노드 집전을 위해 지지 부재(230)를 이용하고 있다.
네 개의 서브셀들(210a, 210b, 210c, 210d)이 일렬로 서로 결합된 연결형 셀 구조의 일단은 제1 단부커넥터(270a)에 의해 제1 매니폴드(280a)에 연결되고, 타단은 제2 단부커넥터(270b)에 의해 제2 매니폴드(280b)에 연결될 수 있다. 이러한 경우, 두 단부커넥터들(270a, 270b)은 서브셀들을 일단에서 타단까지 관통하는 지지 부재들(230)의 연결 구조를 두 매니폴드들(280a, 280b)에 고정하면서 연결형 셀 구조와 두 매니폴드들을 유체소통 가능하게 연결한다.
일 실시예에서, 각 단부커넥터(270a; 270b)는 지지 부재(230)에 연결되는 봉 형상의 몸체, 및 이 몸체와 매니폴드 사이를 지지하며 몸체와 소정 간격을 두고 몸체를 띠 형상으로 둘러싸는 차양부를 구비한다. 차양부에는 연료가 차양부를 관통하여 흐를 수 있도록 설치된 적어도 하나의 개구부가 구비된다. 몸체는 매니폴드의 개구부에 끼워질 수 있다. 차양부의 적어도 일면에는 돌기가 구비될 수 있다. 차양부와 돌기 사이에는 매니폴드(280a; 280b)나 커넥터(220)의 모서리가 마주하여 접할 수 있다.
일 실시예에서, 단부커넥터(270a; 270b)와 매니폴드(280a; 280b)는 별도의 절연 부재나 절연 코팅층에 의해 서로 전기적으로 분리될 수 있다. 복수의 연결형 셀 구조들은 적어도 하나의 제1 연결형 셀 구조의 캐소드 집전용 와이어(260)가 적어도 또 다른 하나의 제2 연결형 셀 구조의 지지 부재(230)에 연결되도록 구성된다. 본 실시예에서, 제1 연결형 셀 구조의 와이어(260)와 제2 연결형 셀 구조의 지지 부재(230)와의 물리적인 접촉은 제1 및 제2 연결형 셀 구조들의 양단부에 연결되는 두 매니폴드들(280a, 280b) 중 적어도 어느 하나에서 형성될 수 있다.
본 실시예의 SOFC 스택의 작동 과정을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4에서, 연료는 제1 매니폴드(280a)에서 연결형 셀 구조의 중공부 일측으로 유입되고, 지지 부재들(230)의 외표면을 따라 각 서브셀 내의 다공성 부재(240)를 통과하여 제2 매니폴드(280b)로 흐른다. 산화제로는 연결형 셀 구조의 외부를 순환하는 대기 중 산소가 이용될 수 있고, 연료로는 메탄, 프로판, 부탄 등이 이용될 수 있다.
각 연결형 셀 구조는 각 서브셀의 중공부 내표면에 노출된 제1 전극으로 공급되는 수소와 각 서브셀의 외표면에 노출된 제2 전극으로 공급되는 공기 중의 산소의 전기화학 반응에 의해 전기를 생산한다. 즉, 연결형 셀 구조에 유입된 연료는 약 600～1000℃의 온도 분위기에서 개질되어 수소를 함유한 리포메이트로 전환된다. 제1 전극에 공급된 수소는 고온 분위기에서 제1 전극의 애노드 촉매의 도움으로 산소이온과 결합하여 물과 전자를 생성한다. 한편, 제2 전극에 공급된 산소는 고온 분위기에서 제2 전극의 캐소드 촉매의 도움으로 SOFC 스택에 연결된 외부 회로 또는 부하(미도시)를 통해 제1 전극에서 이동해 온 전자와 결합하여 산소이온으로 전환된다. 산소이온은 전해질을 통과하여 제2 전극으로 이동한다. 수소와 산소이온의 반응에 의해 발생한 물은 봉 형상의 지지 부재(230)의 외표면 상에서 연료의 흐름 방향을 따라 미반응 연료와 함께 제2 매니폴드(280b)로 배출된다. 제1 전극에서 수소와 산소 이온의 반응에 의해 발생한 전자는 제2 전극측으로 이동하면서 부하에 전력을 공급한다. 전술한 각 서브셀의 제1 전극(애노드)과 제2 전극(캐소드)에서의 전기화학적 반응을 나타내면 아래의 반응식 1과 같다.
Figure 112010019471276-pat00001
도 5는 또 다른 일 실시예의 연결형 셀 구조를 이용하는 SOFC 스택을 설명하기 위한 단면도이다. 도 6은 도 5의 SOFC 스택의 연결형 셀 구조에 이용되는 지지 부재의 단면도이다.
도 5를 참조하면, SOFC 스택은 복수의 서브셀들(211a, 211b, 211c, 211d)에 각각 구비된 복수의 지지 부재들(230a)을 일렬로 서로 연결한 연결형 셀 구조를 복수개 적층 또는 배열하여 제조된다. 본 실시예의 SOFC 스택은 지지 부재(230a)와 복수의 연결형 셀 구조들 간의 전기적 직렬 연결 구조를 제외하고 도 4에 도시된 SOFC 스택과 실질적으로 동일하다.
지지 부재(230a)는, 도 6에 도시한 바와 같이, 소정 길이를 가지고 속이 꽉 찬 봉 형상의 몸체(231a)를 구비한다. 이를 솔리드로드(solid rod)로 칭하기도 한다. 몸체(231a)의 양단부에는 또 다른 지지 부재와의 결합시에 사용되는 암나사(233)와 수나사(235)가 각각 구비된다. 또한, 지지 부재(230a)는 암나사(233)가 형성되어 있는 부분에서 몸체(231a)의 방사상 방향으로 몸체(231a)를 소정 두께의 고리 형상으로 둘러싸는 링(237)을 구비한다. 링(237)에는 연료가 링(237)를 관통하여 흐를 수 있도록 형성된 복수의 통공들(238)이 구비된다.
다시 도 5를 참조하면, 본 실시예의 SOFC 스택에 있어서, 복수의 연결형 셀 구조들은 적어도 하나의 제1 연결형 셀 구조의 캐소드 집전용 와이어(260)가 적어도 또 다른 하나의 제2 연결형 셀 구조의 지지 부재(230a)에 연결되도록 구성된다. 즉, 제1 및 제2 연결형 셀 구조들 간의 전기적 연결을 위한 물리적인 접촉은 매니폴드(280a, 280b) 외부에 위치하는 지지 부재(230a)의 링(237) 상에서 형성된다.
도 7은 또 다른 일 실시예에 따른 연결형 셀 구조의 부분 단면도이다. 도 8은 도 7의 연결형 셀 구조의 지지 부재에 대한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 연결형 셀 구조(300)는 연료가 흐르는 방향으로 서로 연결되는 복수의 서브셀들(310a, 310b, 310c), 및 인접한 서브셀들 사이사이에 배치되는 커넥터들(220)을 구비한다. 복수의 서브셀들은 각 서브셀에 구비된 단단한 지지 부재들(330)의 결합에 의해 길이 방향으로 서로 연결되는 구조를 구비한다. 각 서브셀은 지지 부재(330)와 제1 전극(11) 사이에 배치되는 다공성 부재(240)를 구비할 수 있다. 각 서브셀과 커넥터(220) 사이에는 밀봉재(250)가 구비될 수 있다.
본 실시예에 따른 지지 부재(330)는, 도 8에 도시한 바와 같이, 소정 길이의 튜브 또는 파이프 형상의 몸체(331)를 구비한다. 몸체(331)는 중공부(332)를 구비하고, 원형 단면이나 원에 내접 또는 외접하는 다각형 단면 형상을 구비할 수 있다. 몸체(331)의 양단부에는 또 다른 지지 부재와의 결합시 사용되는 암나사(333)와 수나사(335)가 각각 구비된다. 암나사(333)는 몸체(331)의 내표면에 구비되며, 수나사(335)는 몸체(331)의 외표면에 구비된다. 지지 부재(330)는 스테인리스강 등의 소정 이상의 강도를 구비한 단단한 재료로 구성된다.
도 9a 내지 도 9c는 도 7의 연결형 셀 구조를 이용하는 SOFC 스택의 제조 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
먼저, 도 9a에 도시한 바와 같이, 제1, 제2 및 제3의 서브셀들(310a, 310b, 310c)을 준비하고, 각 서브셀의 일단에 커넥터(220)를 결합한다. 각 서브셀과 커넥터(220) 사이에는 밀봉재(250)를 설치한다. 물론, 각 서브셀과 커넥터(220)는 브레이징 방식 등으로 직접 접합될 수 있다.
다음, 도 9b에 도시한 바와 같이, 인접한 서브셀들(310a, 310b, 310c) 간의 지지 부재들(330)을 서로 나사 결합시킨다. 그리고, 또 다른 제4 서브셀(310d)을 준비하고, 그 지지 부재(330a)의 수나사(335)를 제3 서브셀(310c)의 지지 부재(330)의 암나사(333)에 나사 결합시킨다. 제4 서브셀(310d)의 지지 부재(330a)는 다른 지지 부재(330)와 대비할 때 그 일단에서 암나사 부분이 생략된 구조를 구비할 수 있다. 그리고, 제4 서브셀(310d)의 일단은 지지 부재(330a)와 소정 간격을 두고 캡(390)에 의해 폐쇄된다.
그리고, 제1 매니폴드(380a)에 고정 결합된 단부커넥터(370)의 암사나(333a)에 제1 서브셀(310a)의 지지 부재(330)의 수나사(335)를 결합시킨다. 말단커넥터(370)는 각 서브셀의 지지 부재(330)의 중공부에 연료를 공급하기 위한 배관형 몸체(371)를 구비할 수 있다.
다음, 도 9c에 도시한 바와 같이, 제1 내지 제4 서브셀들(310a, 310b, 310c, 310d)이 연료 흐름 방향으로 서로 연결된 연결형 셀 구조를 적절히 적층 또는 나열하여 SOFC 스택을 제조한다. 복수의 연결형 셀 구조들은 단부커넥터(370)에 의해 매니폴드에 고정 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 단부커넥터(370)의 배관형 몸체(371)는 제2 매니폴드(380b)에서 제1 매니폴드(380a)를 관통하여 각 연결형 셀 구조로 연료가 공급될 수 있도록 이들 사이를 유체소통 가능하게 연결한다. 제1 매니폴드(380a)와 제2 매니폴드(380b)는 복수의 연결형 셀 구조들의 일측에 이층 구조로 형성될 수 있다.
그리고, 각 연결형 셀 구조의 복수의 서브셀들(310a, 310b, 310c, 310d)의 제2 전극 상에 Ag 와이어를 감아 캐소드 집전층(360)을 형성한다. 본 실시예에서, 복수의 연결형 셀 구조들은 제1 매니폴드(380a) 내의 단부커넥터(370)를 통해 전기적으로 서로 직렬 연결된다.
본 실시예의 SOFC 스택의 작동 과정을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 9c를 참조하면, 연료는 제2 매니폴드(380b)에서 단부커넥터(370)의 배관형 몸체(371)를 통해 각 연결형 셀 구조의 지지 부재(330)의 중공부(332)에 공급된다. 각 연결형 셀 구조의 일단부에 위치한 제4 서브셀(310d)의 지지 부재(330a)의 중공부에서 나온 연료는 각 서브셀의 지지 부재들(330a, 330)의 외표면을 따라 연료 유입 방향과는 반대 방향으로 흐르면서 다공성 부재(240)를 통과한다.
각 연결형 셀 구조에 공급된 대부분의 연료는 고온분위기에서 수소를 함유한 리포메이트로 전환되며, 수소는 다공성 부재(240)를 통해 각 서브셀(310a; 310b; 310c; 310d)의 제1 전극으로 분배 공급된다.
제1 전극에 공급되는 수소와 제2 전극에 공급되는 대기 중의 산소는 각 서브셀에서 전기화학 반응하고, 그에 의해 전기와 물이 생성된다. 전기는 SOFC 스택의 애노드와 캐소드에 연결된 외부 부하(미도시)에 공급되고, 물은 미반응 연료와 함께 연료 흐름 방향을 따라 제1 매니폴드(380a)로 배출된다.
도 10은 또 다른 일 실시예의 연결형 셀 구조를 이용하는 SOFC 스택을 설명하기 위한 단면도이다. 도 11은 도 10의 SOFC 스택의 연결형 셀 구조에 이용되는 지지 부재의 단면도이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예의 SOFC 스택은 복수의 서브셀들(311a, 311b, 311c, 311d)에 각각 구비된 복수의 지지 부재들(330b)이 일렬로 서로 결합된 연결형 셀 구조를 복수개 적절히 배열하여 제조된다. 본 실시예의 SOFC 스택은 지지 부재(330b, 330c)와 연결형 셀 구조들 간의 전기적 직렬 연결 구조를 제외하고 도 9c에 도시한 SOFC 스택과 실질적으로 동일하다.
지지 부재(330b)는, 도 11에 도시한 바와 같이, 중공부(322)를 가진 배관 형상의 몸체(331a)를 구비한다. 몸체(331a)의 양단부에는 또 다른 지지 부재와의 결합시에 이용되는 암나사(333)와 수나사(335)가 각각 구비된다. 또한, 지지 부재(330b)는 암나사(333)가 형성되어 있는 부분과 인접한 부분에서 몸체(331a)를 소정 두께의 고리 형상으로 둘러싸는 링(337)을 구비한다. 링(337)에는 유체가 링(337)를 관통하여 흐를 수 있도록 형성된 복수의 통공들(338)이 구비된다. 복수의 통공들(338)은 도 3c의 제2 홀들(224)에 대응하도록 형성될 수 있다. 그리고, 또 다른 지지 부재(330c)는 지지 부재(330b)와 유사하게 링(337)를 구비한 것을 제외하고, 도 9b의 제4 서브셀(310d)의 지지 부재(330a)와 실질적으로 동일하다.
다시 도 10을 참조하면, 본 실시예의 SOFC 스택에 있어서, 복수의 연결형 셀 구조들은 적어도 하나의 연결형 셀 구조의 캐소드 집전층(360)이 적어도 하나의 또 다른 연결형 셀 구조의 적어도 하나의 지지 부재(330b)의 링(337)에 전기적으로 연결되도록 구성된다.
도 12는 또 다른 일 실시예에 따른 연결형 셀 구조의 부분 단면도이다. 도 13은 도 12의 연결형 셀 구조의 지지 부재에 대한 단면도이다.
도 12를 참조하면, 연결형 셀 구조(400)는 연료가 흐르는 방향으로 서로 연결되는 복수의 서브셀들(410a, 410b, 410c), 및 인접한 서브셀들 사이에 설치되는 커넥터들(220)을 구비한다. 복수의 서브셀들은 각 서브셀에 구비된 단단한 지지 부재들(430)의 결합 구조에 의해 길이 방향으로 서로 연결된다. 각 서브셀은 지지 부재(430)와 제1 전극(11) 사이에 배치되는 다공성 부재(240)를 구비할 수 있다. 각 서브셀과 커넥터(220) 사이에는 밀봉재(250)가 구비될 수 있다.
본 실시예에 따른 지지 부재(430)는, 도 13에 도시한 바와 같이, 소정 길이의 배관 형상의 몸체(431)를 구비한다. 몸체(431)는 중공부(432)를 구비하고, 양단부 사이에 몸체(431)의 일부가 절개된 복수의 개구부들(436)을 구비한다. 몸체(431)의 양단부에는 또 다른 지지 부재와의 결합시 사용되는 암나사(433)와 수나사(435)가 각각 구비된다. 지지 부재(430)는 스테인리스강 등의 단단한 재료로 구성된다.
도 14a 내지 도 14c는 도 12의 연결형 셀 구조를 이용하는 SOFC 스택의 제조 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
먼저, 도 14a에 도시한 바와 같이, 제1, 제2, 제3, 및 제4 서브셀들(410a, 410b, 410c, 410d)을 준비하고, 각 서브셀의 일단에 커넥터(220)를 결합한다. 각 서브셀과 커넥터(220)는 밀봉재를 이용하거나 브레이징 방식으로 적절하게 접합될 수 있다.
다음, 도 14b에 도시한 바와 같이, 인접한 서브셀들(410a, 410b, 410c, 410d)의 지지 부재들(430)을 서로 나사 결합시킨다. 그리고, 제1 매니폴드(480a)에 고정 결합된 제1 단부커넥터(470a)의 수사나(475)와 제4 서브셀(410d)의 지지 부재(430)의 암나사(433)를 결합시킨다. 제1 단부커넥터(470a)는 각 서브셀의 지지 부재(430)의 중공부에 연료를 공급하기 위한 배관형 몸체(471)를 구비할 수 있다.
그리고, 제2 매니폴드(480b)의 개구부(481)에 삽입되는 제2 단부커넥터(470b)의 암나사(473)와 제1 서브셀(410a)의 지지 부재(430)의 수나사(335)를 결합시킨다. 제2 단부커넥터(470b)는 연결형 셀 구조에서 나오는 유체들을 배출할 수 있도록 구비되는 배관형 내부 몸체(471), 내부 몸체(471)를 이중관 형태로 둘러싸는 외부 몸체, 내부 몸체(471)와 외부 몸체 사이를 연결하는 연결부, 및 유체가 연결부를 통과할 수 있도록 연결부에 구비되는 복수의 개구부들을 구비한다. 이러한 제2 단부커넥터(470b)의 구조는 실제로 커넥터(220)의 구조와 유사하다.
제1 서브셀(410a)의 지지 부재(430)와 결합된 후, 제2 단부커넥터(470b)는 고정 부재(490)에 의해 제2 매니폴드(480b)에 밀착 고정된다. 고정 부재(490)는 링 형상을 구비하며 링 형상의 내주면에 나사산이 형성되어 있는 너트를 포함할 수 있다. 이 경우, 제2 단부커넥터(470b)는 고정 부재(490)와의 나사 결합을 위해 그 외표면에 수나사(475)를 구비할 수 있다.
다음, 도 14c에 도시한 바와 같이, 제1 내지 제4 SOFC 서브셀들(410a, 410b, 410c, 410d)이 연료 흐름 방향으로 서로 연결된 연결형 셀 구조를 복수개 적층 및 나열하여 SOFC 스택을 제조한다. 복수의 연결형 셀 구조들은 제1 및 제2 단부커넥터들(470a, 470b)에 의해 제1 및 제2 매니폴드(480a, 480b)에 각각 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 단부커넥터들(470a, 470b)은 제1 매니폴드(480a)에서 각 연결형 셀 구조로 연료가 공급되고 제2 매니폴드(480b)로 물 등의 반응생성물과 미반응 연료가 배출되도록 제1 및 제2 매니폴드들(480a, 480b)과 이들 사이에 배치되는 각 연결형 셀 구조를 유체소통 가능하게 서로 연결한다.
각 연결형 셀 구조의 각각의 서브셀들(410a, 410b, 410c, 410d)의 제2 전극 위에는 캐소드 집전층(460)이 구비된다. 본 실시예에서, 적어도 하나의 제1 연결형 셀 구조의 각 서브셀 상에 Ag 와이어로 형성된 캐소드 집전층(460)은 적어도 하나의 제2 연결형 셀 구조에 연결되는 적어도 어느 하나의 단부커넥터(470a; 470b)에 연결되도록 구성된다. 즉, 제1 연결형 셀 구조의 캐소드 집전층(460)과 제2 연결형 셀 구조에 연결된 단부커넥터(470a, 470b)는 서로 전기적으로 연결되어, SOFC 스택 내에서 직렬 연결 구조를 형성한다.
본 실시예의 SOFC 스택의 작동 과정을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 14c를 참조하면, 연료는 제1 매니폴드(480a)에서 제1 단부커넥터(470a)의 배관형 몸체(471)를 통해 각 연결형 셀 구조의 지지 부재(430)의 중공부로 공급된다. 공급된 연료의 대부분은 중공부(432)에서 각 지지 부재(430)의 개구부(436)를 통해 각 지지 부재(430)의 외표면으로 흘러나온 후 다공성 부재(240)를 통과하여 이동한다. 그리고, 공급된 연료의 나머지는 각 지지 부재(430)의 중공부(432)를 따라 제2 매니폴드(480b)로 이동한다.
연결형 셀 구조 내에서 연료는 수소를 함유한 리포메이트로 전환되며, 수소는 각 서브셀(410a; 410b; 410c; 410d)의 제1 전극으로 공급된다. 제1 전극에 공급되는 수소와 제2 전극에 공급되는 대기 중의 산소는 각 서브셀에서 전기화학 반응하고, 그에 의해 전기와 물이 생성된다. 전기는 SOFC 스택의 애노드와 캐소드 간에 연결된 부하(미도시)에 공급되고, 물은 미반응 연료와 함께 연료 흐름 방향을 따라 제2 매니폴드(480b)로 배출된다.
도 15는 또 다른 일 실시예의 연결형 셀 구조를 이용하는 SOFC 스택을 설명하기 위한 단면도이다. 도 16은 도 15의 SOFC 스택의 연결형 셀 구조에 이용되는 지지 부재의 단면도이다.
도 15를 참조하면, SOFC 스택은 복수의 서브셀들(411a, 411b, 411c, 411d)에 각각 구비된 복수의 지지 부재들(430a)이 일렬로 서로 결합한 연결형 셀 구를 복수개 적층 또는 나열하여 제조된다. 본 실시예의 SOFC 스택은 지지 부재(430a)와 연결형 셀 구조들 간의 전기적 연결 구조를 제외하고 도 14c에 도시한 SOFC 스택과 실질적으로 동일하다.
지지 부재(430a)는, 도 16에 도시한 바와 같이, 파이프 형상의 몸체(431a)를 구비한다. 지지 부재(430a)는 소정 이상의 강도를 가진 단단한 재료이면서 도전성을 가진 재료로 형성된다. 지지 부재(430a)의 재료로는 스테인리스강, 니켈, 니켈 합금 등이 사용될 수 있다. 몸체(431a)는 중공부(432)를 구비하고, 양단부 사이에 몸체(431a)의 일부가 절개된 복수의 개구부들(436)을 구비한다. 몸체(431a)의 양단부에는 또 다른 지지 부재와의 결합시 사용되는 암나사(433)와 수나사(435)가 각각 구비되어 인접 서브 지지부재를 연결한다. 제1서브 지지부재의 숫나사(435)는 인접 서브 지지부재의 암나사(433)에 나사결합된다.
복수의 개구부들(436)은 일정 간격을 두고 규칙적으로 배열되거나 일정한 간격 없이 불규칙하게 배열될 수 있다. 복수의 개구부들(436)은 지지 부재(430a)의 강도를 크게 약화시키지 않는 범위내에서 적절한 크기와 개수로 형성될 수 있다.
또한, 지지 부재(430a)는 암나사(433)가 형성되어 있는 부분에 몸체(431a)를 고리 형상으로 둘러싸는 링(437)를 구비한다. 링(437)에는 유체가 링(437)를 관통하여 흐를 수 있도록 형성된 복수의 통공들(438)이 구비된다.
다시 도 15를 참조하면, 본 실시예의 SOFC 스택에 있어서, 복수의 연결형 셀 구조들은 적어도 하나의 제1 연결형 셀 구조의 캐소드 집전층(460)이 적어도 하나의 제2 연결형 셀 구조의 적어도 하나의 지지 부재(430a)의 링(437)에 연결되도록 구성된다. 즉, 제1 및 제2 연결형 셀 구조들 간의 전기적 접속 노드는 매니폴드(480a, 480b) 외부에 위치하는 제2 연결형 셀 구조의 지지 부재(430a)의 링(437) 상에서 형성될 수 있다.
도 17a 및 도 17b는 일 실시예의 연결형 셀 구조에 채용가능한 다른 형태의 지지 부재들의 연결 구조를 설명하기 위한 단면도들이다.
전술한 실시예들의 연결형 셀 구조에 있어서, 지지 부재들 간의 연결 구조는, 서로 인접한 서브셀들의 제1 지지 부재의 암나사와 제2 지지 부재의 수나사를 직접 연결하는 구조 이외에, 도 17a에 도시한 바와 같이, 지지 부재와 동일한 단면 형태를 가진 몸체(51a)의 양측으로 두 수나사들(55a, 55b)을 구비한 제1 커플링 부재(50a)를 이용하도록 구성될 수 있다. 제1 커플링 부재인 숫나사 아답터(50a)를 이용하는 경우, 길이 방향으로 서로 연결되는 두 지지 부재들(30a, 30b)의 서로 마주하는 말단부에는 암사나(33a; 33b)가 각각 구비된다. 즉, 제1서브 지지부재(30a)의 암나사(33a)는 숫나사 아답터(50a)의 제1숫나사상에 체결 결합된다. 그리고 제2서브 지지부재(30b)의 암나사는(33b)는 숫나사 아답터(50a)의 제2숫나사부와 체결 결합된다. 따라서 두개의 서브 지지부재(30a, 30b)가 서로 길이방향으로 연결된다.
다른 한편으로, 전술한 실시예들의 연결형 셀 구조에 있어서, 지지 부재들 간의 연결 구조는, 도 17b에 도시한 바와 같이, 파이프 형태 몸체(51b) 내측에 나사산(55)이 형성되어 있는 암나사 아답터 부재(50b)를 이용하도록 구성될 수 있다. 암나사 아답터 부재(50b)를 이용하는 경우, 길이 방향으로 서로 연결되는 두 지지 부재들(30c, 30c)의 서로 마주하는 말단부에는 수사나(35a; 35b)가 각각 구비된다. 즉, 제1서브 지지부재(30c)의 숫나사(35a)는 암나사 아답터(51b)의 나사산 표면(55)의 제1측면에서 나사 결합되고, 제2서브 지지부재(30d)의 숫나사(35b)는 암나사 아답터(51b)의 나사산(55)의 제2측면에 연결된다.
도 18은 일 실시예의 연결형 셀 구조에 채용가능한 또 다른 형태의 지지 부재의 연결 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
전술한 실시예들의 연결형 셀 구조에 있어서, 지지 부재들 간의 연결 구조는, 서로 인접한 서브셀들의 제1 지지 부재의 수나사와 제2 지지 부재의 암나사를 나사 결합하는 구조 이외에, 도 18에 도시한 바와 같이, 봉 형상의 제1 지지 부재(30e)의 일단에 위치한 돌출부(37a)를 봉 형상의 제2 지지 부재(30f)의 일단에 위치한 노치부(37b)에 끼워 넣어 결합하는 구조가 이용될 수 있다. 제1 돌출부(37a)의 단면은 원형, 타원형, 또는 원이나 타원에 내접 또는 외접하는 다각형 형상을 구비할 수 있고, 노치부(37b)의 오목한 부분의 단면은 돌출부(37a)가 딱맞게 끼워질 수 있는 형태를 구비할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 지지 부재(30e)와 제2 지지 부재(30f)는 최소한 하나의 돌출부와 노치부(37a, 37b)의 결합시 회전을 방지하기 위해 서로 결합되는 적어도 한 쌍의 제2돌출부와 (39a)와 제2노치부(39b)을 구비할 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 제1 지지 부재(30a)와 제2 지지 부재(30f)의 분리를 방지하기 위해 서로 결합되어 있는 돌출부와 노치부(37a, 37b)를 동시에 관통하는 적어도 하나의 고정 부재(60)를 구비할 수 있다. 고정 부재(60)는 핀(pin) 형상을 구비할 수 있고, 그 일단부에 다른 부분보다 단면적이 큰 머리부를 구비할 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 지지 부재(30e, 30f)를 관통한 고정 부재(60)의 끝부분은 지지 부재의 길이 방향으로 구부려져 지지 부재에 표면에 밀착될 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
20,220 : 커넥터 30, 230, 330, 430: 지지부재
240 : 다공성 부재 250 : 밀봉재
260 : Ag 와이어 270, 370, 470 : 단부 커넥터
280, 380, 480 : 매니폴드 490 : 고정부재460 : 집전층 237, 337, 437 : 링

Claims (42)

  1. 제1 전극, 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이의 전해질층을 각각 구비하며, 중공의 튜브 형상을 갖는 최소한 두개 이상의 단위셀;
    상기 단위셀의 중공부를 관통하여 상기 단위셀을 길이방향으로 연결하는 지지부재를 포함하는 고체산화물 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재를 따라서 인접하는 단위셀을 연결하는 커넥터를 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 커넥터는 응력에 의해 탄성적으로 변형가능한 고체산화물 연료전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 단위셀과 커넥터 사이의 실링부재를 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극과 접하도록 결합되는 집전체를 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재는 내부공간이 없는 로드(solid rod)인 고체산화물 연료전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 지지부재는 단부에서 방사상으로 돌출된 링을 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 링은 링을 통하여 유체가 흐를 수 있는 최소한 하나의 통공을 포함하는 고체산화물 연료전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 링은 외부에 노출되어 있는 고체산화물 연료전지.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 지지부재를 따라서 인접하는 단위셀을 연결하는 커넥터를 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 커넥터는 응력에 의해 탄성적으로 변형가능한 고체산화물 연료전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재는 중공형 튜브를 포함하는 고체산화물 연료전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 지지부재는 단부에서 방사상으로 돌출된 링을 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 링은 링을 통하여 유체가 흐를 수 있는 최소한 하나의 통공을 포함하는 고체산화물 연료전지.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 지지부재를 따라서 인접하는 단위셀을 연결하는 커넥터를 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 커넥터는 응력에 의해 탄성적으로 변형가능한 고체산화물 연료전지.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 지지부재는 튜브의 측벽에 최소한 하나의 개구부를 포함하는 고체산화물 연료전지.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 지지부재는 단부에서 방사상으로 돌출된 링을 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 링은 링을 통하여 유체가 흐를 수 있는 최소한 하나의 통공을 포함하는 고체산화물 연료전지.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 지지부재를 따라서 인접하는 단위셀을 연결하는 커넥터를 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 커넥터는 응력에 의해 탄성적으로 변형가능한 고체산화물 연료전지.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재는 스테인리스강, 니켈 및 니켈합금중에서 선택된 어느 하나의 재료를 포함하는 고체산화물 연료전지.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 단위셀과 지지부재 사이에 다공성부재를 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 다공성부재는 금속펠트, 금속메쉬 및 이들의 조합중에서 선택된 어느 하나의 재료를 포함하는 고체산화물 연료전지.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재는 상기 단위셀을 통하여 연장되는 최소한 두개의 서브 지지부재를 포함하고, 상기 서브 지지부재는 서로 인접하여 접하고 있는 고체산화물 연료전지.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 서브 지지부재는 일단에서 연결된 숫나사부와 타단에서 연결된 암나사부를 포함하며, 상기 서브 지지부재의 숫나사부와 또 다른 서브 지지부재의 암나사부가 서로 체결 결합되는 고체산화물 연료전지.
  27. 제25항에 있어서,
    서브 지지부재의 각각은 단부에서 방사상으로 돌출된 링을 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 링은 링을 통하여 유체가 흐를 수 있는 최소한 하나의 통공을 포함하는 고체산화물 연료전지.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지의 단부에 위치한 제1단위셀의 서브 지지부재는 단부에 숫나사부를 포함하고, 상기 제1단위셀에 인접한 제2단위셀의 서브 지지부재는 상기 단부쪽에 숫나사부를 포함하고, 또 다른 단부에 암나사부를 포함하되, 상기 제1단위셀과 제2단위셀의 서브 지지부재는 제1단위셀의 서브지지부재의 숫나사부와 제2단위셀의 서브 지지부재의 암나사부와 상호 체결 결합되어 서로 접합되는 고체산화물 연료전지.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 링은 링을 통하여 유체가 흐를 수 있는 최소한 하나의 통공을 포함하는 고체산화물 연료전지.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 제1단위셀의 서브 지지부재의 제2단부상에 단부 캡부재와 상기 제2단위셀의 서브 지지부재의 제1단부상에 단부 커넥터를 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 제1 단부 커넥터는 상기 고체산화물 연료전지의 일단의 제1단위셀과 제1매니폴드를 연결하는 제1단부 커넥터를 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
  33. 제31항에 있어서,
    상기 지지부재는 중공형 튜브를 포함하고, 제1단부 커넥터는 지지부재의 중공형 튜브와 연통하는 중공형 튜브를 포함하는 고체산화물 연료전지.
  34. 제1항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지의 일단에서 제1단위셀과 제1매니폴드를 연결하는 제1단부 커넥터를 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지의 타단에서 제2단위셀과 제3매니폴드를 연결하는 제2단부 커넥터를 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 지지부재는 중공형 튜브를 포함하고, 제2단부 커넥터는 지지부재의 중공형 튜브와 연통하는 중공형 튜브를 포함하는 고체산화물 연료전지.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 지지부재는 튜브의 측벽상에 최소한 하나의 개구부를 갖는 튜브를 포함하는 고체산화물 연료전지.
  38. 제25항에 있어서,
    상기 서브 지지부재는 일단에 결합된 수나사부를 포함하되, 상기 서브 지지부재에 인접하여 연결된 숫나사부와 암나사부 어댑터와의 체결에 의하여 상호 접합되는 고체산화물 연료전지.
  39. 제25항에 있어서,
    상기 서브 지지부재는 일단에 결합된 암나사부를 포함하되, 상기 서브 지지부재에 인접하여 연결된 암나사부와 숫나사부 어댑터와의 체결에 의하여 상호 접합되는 고체산화물 연료전지.
  40. 제25항에 있어서,
    상기 서브 지지부재는 제1단부에 최소한 하나의 노치와 제2단부에 최소한 하나의 돌출부를 구비하여, 상기 돌출부와 노치는 맞춤 결합되며, 상기 서브 지지부재는 상기 서브 지지부재의 최소한 하나의 돌출부와 또 다른 서브 지지부재의 노치와의 체결에 의하여 상호 접합되는 고체산화물 연료전지.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 서브 지지부재는 상기 최소 하나의 노치내에서 최소 하나의 돌출부와 고정결합되는 고정부재를 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
  42. 제40항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 돌출부와 노치는 상기 노치내에서 돌출부의 회전유동이 방지되는 고체산화물 연료전지.
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