KR101237735B1 - 내부개질형 관형 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제작 방법 - Google Patents

내부개질형 관형 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄화수소 함유 가스를 직접 사용할 수 있는 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 튜브형 개질기와 튜브형 반응기를 포함하는 셀 모듈을 이용한 고체산화물 연료전지용 스택 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 스택은 원통형 또는 평관형의 다공성 지지체에 작은 저항으로 직렬 연결된 단위 셀이 형성된 분할형 셀 튜브 및 같은 모양의 지지체의 내부에 개질 촉매가 내장된 개질기 튜브를 외면에 공기유로가 형성되도록 이격 배치하고, 튜브 사이에 연료가스 흐름용 유로를 형성시킨 셀 모듈이 집적된 대형 고체산화물 연료전지용 스택 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 스택은 대형화가 가능하면서도 내부에 개질기가 내장되어 열 조절이 쉽고, 단위 셀들이 전기적으로 직렬 및 병렬의 혼합 구조로 연결되어 반응 면적의 대면적화 및 스택의 고전압화가 가능하고, 또한 모듈화된 셀 번들을 사용하여 교체에 의한 수리가 가능하다.

Description

내부개질형 관형 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제작 방법{Internal Reforming Tubular Type Solid Oxide Fuel Cell Stacks and their Manufacturing Methods}
본 발명은 탄화수소 함유 가스를 직접 사용할 수 있는 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 튜브형 개질기와 튜브형 반응기를 포함하는 셀 모듈들로 구성되는 고체산화물 연료전지용 스택 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 "SOFC" 라고도 함)는 고온 작동으로 인한 연료 사용면의 다양성이 충족되고 또한 MW급 용량 이상의 대규모 발전소용으로 사용이 가능하고 고온 배가스는 가스터빈에 의한 추가 발전이 가능하도록 보다 고온에서 운전되는 것이 경쟁력이 있으나, 현재의 고체산화물 연료전지 기술은 단위 셀이 얇은 두께의 세라믹으로 제작되고 마지막에는 소성의 과정을 거쳐야 하는 특성상 단위 셀 면적의 대면적화가 어렵고, 고온에서 완벽하게 작동되는 밀봉재가 없으며, 세라믹 재료의 단위 셀 사이에 전기연결재(interconnect)는 금속판이 혼합 적층되어 기계적 응력 문제와 금속의 고온 부식 문제를 피할 수가 없어서 현재 20KW 내외의 개발이 이루어지고 있다,
상기와 같은 금속 전기연결재의 사용을 피하기 위해 튜브형 지지체에 길이 방향으로 소형의 단위 셀을 형성하고 단위 셀 사이에 전도성 세라믹 연결재를 사용하여 전기적으로 직렬 연결하도록 고안된 분할형 셀 집적 튜브를 사용한 스택은 금속 재료가 사용되지 않고 튜브 지지체를 값싼 부도체의 세라믹을 사용할 수 있는 장점이 있으나, 전도성 반도체의 전기연결재와 양극층의 길이 방향의 박막층으로 전기가 흐르게 되어 저항이 커서 단위 면적당 전류밀도가 낮고 셀 튜브 간 전기연결의 문제 등이 해결되지 않고 있으며 소형 튜브를 사용하여 3차원적으로 대형화 하는 것이 불가능하고, 또한 내부 개질기가 장착되지 않아 대형화 시 온도 편차 및 열 제어가 쉽지않는 문제가 상존한다.
고체산화물 연료전지는 750~1000℃의 고온에서 운전되어 타 연료전지에 비해 가장 효율이 높으나 단위 셀이 얇은 두께의 세라믹으로 제작되고 마지막에는 소성의 과정을 거쳐야 하는 특성상 단위 셀 면적의 대면적화가 어렵고, 고온에서 완벽하게 작동되는 밀봉재가 없으며, 세라믹 재로의 단위셀 사이에 가스 채널과 단위 셀 간 전기연결의 역할을 하는 전기연결판이 금속으로 제작되므로 금속과 세라믹의 혼합 적층에 의한 기계적 응력 문제와 금속의 고온 부식 문제를 피할 수가 없다. 또한 평판형 단위 셀들이 물리적 적층되고 또한 전기적으로 직렬로만 연결되어 특정 셀 하나의 성능이 나빠지면 바로 스택 전체의 성능이 똑같이 나빠지는 문제를 내포하고 있어서 모든 셀들의 제작 및 전기연결을 위한 적층이 무결점으로 완벽하게 만들어지고 작동해야만 하는 어려운 숙제를 안고 있고, 적층된 스택은 밀봉재로 밀봉되므로 특정 셀의 고장 시에도 스택 일부의 교체나 수리가 불가능하다. 따라서 고체산화물 연료전지는 고온 작동으로 인한 연료 사용면의 다양성이 충족되고 또한 MW급 용량 이상의 대규모 발전소용으로 사용이 가능하고 고온 배가스는 가스 터빈에 의한 추가 발전이 가능하도록 보다 고온에서 운전되는 것이 경쟁력이 있으나, 상기에 열거한 제반 문제점들로 인해서 현재는 단위 셀의 400㎠ 이상 대면적화 및 스택의 20KW 급 이상 대규모화가 현실적으로 불가능한 상태이다.
고체산화물 연료전지의 단위 셀은 전해질 재료로서 이트리아(yttria)를 첨가하고 결정 구조를 안정화시킨 산화 지르코니늄을 사용해 왔다. 이 재료는 산소이온의 전도성을 가지고 있지만 750~1000℃의 고온의 범위에서만 연료전지로서의 원하는 전도성을 얻을 수 있는 특징이 있다. 이 때문에 SOFC의 운전 온도는 통상 750℃ 이상이며, 전극 재료도 이와 같은 고온에 견디는 도전성의 물질이 사용되며, 예로서 공기가 유입되는 공기극은 LaSrMnO3, 수소가 유입되는 연료극에는 Ni-ZrO2 혼합물(cermet)이 통상 사용된다.　타 연료전지 마찬가지 형식의 평판형(planer type) SOFC에 있어서는 연료극 또는 전해질 지지체에 나머지 전극 또는 전해질을 얇게 피복 접합하여 최종적으로 1mm 이하 두께의 단위 전해질-전극 조합체(Electrolyte-Electrode Assembly, 이하 "EEA"라 명함)을 만들고, 여기에 적층 시 EEA 상하층에 연료가스 및 공기를 도입하기 위한 가스 채널들을 가지고 이웃한 EEA의 반대극끼리 전기연결을 위해 도전성의 금속 재료로 된 전기연결판을 끼워 단위 셀을 구성하게 된다. 이러한 평판형 방식에서는 'EEA'층의 두께가 얇은 장점이 있으나 세라믹의 특성상 두께의 균일도나 평판도를 조절하는 것이 어려워서 대형화가 쉽지 않고, 또한 단위 셀의 적층(stacking)을 위해 세라믹 EEA와 금속 전기연결판을 번갈아 적층하려면 유입되는 연료가스와 공기의 셀 간 밀봉을 위해 셀 가장자리에 밀봉재를 사용하게 된다. 그러나 밀봉 재료로 사용되는 유리(glass)계 재료의 연화 온도는 600℃ 정도부터 시작되지만 고체산화물 연료전지는 바람직한 효율을 얻기 위해서는 통상 750℃ 이상의 고온에서 작동되어야 하여　밀봉제의 연화에 의한 가스누출의 위험도 높고 적층된 스택은 전기적으로 직렬로만 연결되어 모든 단위 셀이 무결점으로 완벽하게 작용되어야 하기 때문에 실용화하기에 아직 많은 기술적인 난관이 존재한다.
이러한 평판형 셀(cell)의 단점들을 보충하기 위해서, 평관형(flat tube type) 지지체를 이용한 단위 셀 및 스택 개발이 미국특허(US 6416897 및 US 6429051)에서 이루어지고 있다. 그러나 이 경우도 적층을 하기 위해서는 평관형 셀 외부에 공기 또는 연료극 가스를 도입시키기 위한 가스 유로와 전기적 연결을 위한 금속의 전기연결판이 추가적으로 사용된다. 이러한 평관형 구조는 스택의 기계적 강도를 증가시키지만 전기연결판 재료가 금속인 특성 상 고온 운전 시 세라믹 재질인 EEA층 사이에서 기계적 및 열적 응력이 발생하는 문제점 등이 있고 직렬로만 연결되어 무결점 제작이 수반되어야 한다.
이러한 종래의 고체산화물 연료전지의 문제점들을 해결하기 위해, 원통형 또는 평관형 지지체 외표면에 음극, 전해질, 양극으로 된 소형 단위 셀을 튜브의 길이 방향을 따라 분할 피복하여 형성하고 단위 셀의 양극과 이웃한 단위 셀의 음극이 전기연결재로 전기적으로 연결된 분할형 셀 튜브의 제작이 제안되고 있다. 이러한 분할형 셀은 튜브 상에서 직렬 연결된 단위 셀의 수에 따라 출력 전압이 증가하는 특성이 있어 물리적인 스택킹이 없이 일반적인 평관형보다 전압이 높아질 수 있는 효과를 가질 수 있고 값이 싼 알루미나 등의 부도체의 지지체를 튜브로 사용할 수 있는 장점이 있으나 단위 셀과 전기연결재의 박막 길이 방향으로 전기가 흘러 저항이 높아 전력밀도가 낮은 단점이 존재하며 또한 공기 또는 연료가스 채널이 추가로 생성되기 위해서는 튜브 사이에 거리를 두고 적층되거나 배열되어야 하며, 이 경우 튜브 간 전기연결이 쉽지 않은 문제점들이 존재한다.
구체적으로 원통형 지지체를 사용한 분할형 연료전지에서는 단위 셀이 양극 지지형(cathode-supported type)으로 제작되는 경우 공기 공급은 튜브 내측으로 이루어지고 연료는 튜브 외측으로 공급되며, 따라서 튜브 외측에는 환원성 분위기로 인해 일반 금속 재료를 전기연결재로 사용할 수 있다. 양극 지지체 형태의 원통형은 기계적 특성과 장기 고온 안정성은 매우 우수하나, 셀 자체 내에서의 전기저항 과다와 출력손실 증가가 커서, 대부분 실제 전기출력이 통상 200㎽/㎠ 이하의 낮은 값을 보이고, 제조비용이 높은 것으로 알려져 있다. 음극 지지(anode-supported) 형태는 연료와 공기가 반대로 공급될 수 있으나, 이 경우 튜브 외부 전기연결재에 대한 부식 문제가 대두된다. 원통형은 튜브 사이 전기적 연결도 힘들며, US 2007/0148523 A1에서는 각 원통형 셀 튜브들을 와이어 등을 사용하여 전기적으로 연결하는 방법이 예시되어 있다.
이러한 원통형의 단점을 보충하기 위해 평관형 튜브에 같은 방식으로 단위 셀들이 길이 방향으로 적층된 평관 분할형(flat tube segmented type)이 US 7,399,546 B2, 한국특허공개 2006-0030906, 일본특허공개 2006-172925 등에 소개되어 있다. 평관 분할된 셀 모듈 튜브를 스택으로 설치하는 방법에 대해서는 일반 평관형과 같이 셀 또는 스택 설치용 포트에 여러 가지 부속품 등을 이용하여 셀을 설치하고, 유리 등으로 밀봉하거나(일본특허공개 2003-282107), 부속품들을 거의 사용하지 않고 경납땜(brazing)에 의해 직접 연결하는 방법(일본특허공개 2006-172925) 등이 있을 수 있다. 그러나 분할형에서 분할된 셀 간의 전기적 연결은 LaCrO3 등의 내부연결재(interconnect) 층의 피복을 통해 이루어지는 것으로 언급되고 있으나, 전기연결재의 박막 피복에 따른 저항의 증가에 의한 효율 감소에 대해서는 개선된 방법이 소개되지 않고 있다. 또한 단위 셀들이 분할 적층된 셀 튜브로부터 전기를 인출하는 방법에 대해서는 언급되지 않고 있다. 일반 평관형에서와 같이 셀 모듈의 한 면에 전기연결재를 부착하고 이를 직병렬로 연결해서 사용하는 경우에도, 700℃ 이상의 고온에서 장시간 운전시 셀 변형에 따른 전기연결재와의 접촉성 감소와 금속 전기연결재의 산화 부식과 전기저항 증가 등의 문제는 아직도 남아있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 단위셀이 길이방향으로 분할되어 직렬 연결되면서도 전력 밀도가 높고, 전기적 연결이 용이한 새로운 셀 튜브 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 전력 밀도가 높은 새로운 단위셀 구조 및 이의 연결 구조를 제공하는 것이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 셀모듈 내에서 탄화수소 함유 가스의 개질반응이 진행되어 발열을 제어할 수 있는 새로운 일체형 셀모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 셀 모듈 내에서 탄화수소 함유 가스의 개질 반응이 진행되어 발열을 제어할 수 있는 새로운 일체형 셀 모듈을 집적한 대형 고체산화물 연료전지용 스택 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 단위 셀이 길이 방향으로 분할되어 제작된 셀 분할(segmented) 관형 고체산화물 연료전지에서, 낮은 전력밀도, 셀 모듈 간 전기적 연결 문제, 공기에 의한 부식 문제, 집적에 의한 대형화 문제, 대형 스택의 선별적 수리 문제 등의 제반 문제점들을 해결하면서도 100~200㎠ 정도의 소형 단위 셀로도 MW급의 대형화가 가능하고 상기에 열거한 제반 문제점들을 해결한 스택 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해서, 본 발명은 외면이 내부 채널과 연통되는 적어도 하나의 제1개구가 형성된 튜브형 개질기와 외면이 내부 채널과 연통되는 적어도 하나의 제2개구가 형성되고 단위 셀들이 직렬로 연결되어 반응부가 형성된 적어도 하나의 튜브형 반응기를 포함하며, 상기 튜브형 반응기 외면으로 공기 유로가 형성되고, 상기 제1개구와 제2개구가 연결되어 상기 개질기에서 개질된 가스가 상기 반응기 내부로 유입되는 셀 모듈이 집적된 내부개질형 고체산화물 연료전지용 스택을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 튜브형 개질기와 튜브형 반응기는 이격부재로 이격되어 적층되며, 상기 제1개구와 제2개구는 이격 부재 사이에 형성된 통로를 통해서 연결되며, 상기 제1개구와 제2개구는 밀봉된 이격부재 사이에 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 셀모듈은 튜브형 개질기와 튜브형 반응기가 평행하게 적층되고, 제1개구와 제2개구가 연결된 수직채널이 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 튜브형 개질기는 양측 입구 중 일측이 막혀 있고, 상기 제1개구는 막힌 쪽 일측에 형성되며, 상기 튜브형 반응기는 양측 입구 중 적어도 일측이 막혀 있고, 상기 제2개구는 막힌 쪽 일측에 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 반응부의 단위셀들은 양극은 두껍게 형성되고, 전기연결재는 전기흐름 방향에 수직방향으로 전기가 통할 수 있도록 형성된다. 예를 들어, 반응부는 표면에 음극층, 전해질층, 양극층, 및 전기 연결재층이 연접하여 반복적으로 형성되고, 상기 전해질층의 상부에는 적어도 일부에 양극층이 형성되고 하부에는 적어도 일부에 음극층이 형성되어 단위셀을 이루며, 상기 양극층은 전기연결재층에 수직으로 연결되고, 상기 음극층이 다른 단위셀의 전기연결재층에 직렬 연결되는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 양극층은 단위셀을 이루는 구성요소 중 가장 두껍게 형성된다.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 반응부는 튜브형 반응기의 외면 중앙부에 형성되고, 반응기 외면 양측에는 전기 연결재가 두껍게 형성되어, 반응부 좌우 말단의 음극 및 양극에 각각 연결된다. 상기 반응기 외면 양측의 전기 연결재는 외면 양측에 형성된 링형태의 전기연결재에 연결되어 외부로 연결될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 셀 모듈들은 튜브형 개질기의 입구와 튜브형 반응기 출구에 연료가스 매니폴드(manifold)가 결합된 셀 번들을 형성하고, 이를 평행하게 배치한 후, 공기유로에 공기가 공급되도록 공기 매니폴드를 형성한 스택 모듈을 제조한 후, 이를 연결 및/또는 적층하여 3차원으로 확대한 대규모 스택을 형성하게 된다.
본 발명은 일 측면에서, 내부에 길이 방향으로 1개 이상의 연료가스 채널을 가지는 다공성의 튜브형 지지체를 형성하고, 상기 지지체의 내부 채널 한쪽 끝을 막고 그 옆에 내부 채널에서 튜브 밖으로 관통되는 수직 통로를 생성하고 내외부면에 치밀막의 세라믹층을 형성한 후, 내부 채널 내에 개질 촉매를 장착하여 개질기 튜브를 완성하는 단계; 상기 튜브형 지지체 외부면 중앙에 길이 방향으로 단위 셀들이 분할되어 반복적으로 형성되고, 단위 셀의 반대극끼리 전기적으로 직렬 연결되어지고, 양측 말단의 단위 셀들은 양극 및 음극을 전기연결재와 연결하여 튜브 끝까지 연장 피복되고, 내부 채널은 적어도 한쪽이 막혀 있고 그 옆에 내부 채널에서 튜브 밖으로 관통되는 수직 통로가 형성된 분할형 셀 튜브를 제조하는 단계; 및 상기 개질기 튜브 1개당 상하 또는 상하좌우로 짝수 개의 셀 튜브를 사용하여 셀 모듈을 완성하는 단계, 여기서 상기 셀 집적부 상의 일부 전해질층 상에 세라믹 재료로 된 이격 부재가 삽입되고, 말단 단위 셀 옆에는 단열재가 삽입되고, 수직 통로 좌우의 위치에는 세라믹, 밀봉재, 세라믹의 3개 조합으로 된 밀봉형 이격 부재가 삽입되고, 튜브 양끝에는 금속의 전기연결재가 삽입되는 단계;를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택용 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 셀 모듈을 다시 상하좌우로 복수 개 밀착 배열하여 셀 번들을 완성하고 상기 셀 번들 양끝에 연료가스의 유입용 및 배출용 매니폴드를 장착하고 튜브 끝의 전기연결재에 연결되게 하는 단계; 및 상기 밀봉재를 용융시켜 수직 통로를 포함한 좌우 밀봉재 부분 사이에 연료가스 흐름용 연결 챔버가 생성되도록 하여 셀 번들을 완성하는 단계; 상기 단위 셀 번들 복수 개를 서로 전기적 접촉이 되지 않게 일정한 거리를 두고 상하좌우로 배열하여 스택 모듈을 제조하고, 상기 스택 모듈의 중앙 반응부는 핫 박스(hot box) 내에 장착하고 양끝 연료가스 매니폴드들은 핫 박스 밖의 랙(rack) 상에 거치하여 스택 모듈을 완성하는 단계; 상기 스택 모듈 복수 개를 핫 박스 상의 공기 매니폴드끼리 연결하고 이를 다시 튜브 끝 상의 연료가스 매니폴드끼리 연결하여 2차원적으로 크기가 확장되는 스택 번들을 완성하는 단계; 및 상기 스택 번들을 다시 상하로 밀착 배열하여 3차원적으로 크기가 확장될 수 있는 스택을 완성하는 단계;를 거쳐 고체산화물 연료전지용 스택을 제조하게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 다공성 지지체를 사용하여 제작되는 개질기의 내외부 면에 피복되는 세라믹 재료는 탄화수소의 개질반응에 활성이 없어야 하고, 지지체의 소결 온도 이하에서 소결하여 치밀막을 형성하거나, 또는 지지체가 아예 기공이 없도록 제작되어 치밀막 형성 공정이 필요 없도록 하여 개질기 튜브가 제작되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시에 있어서, 개질기 내부에는 촉매가 장착되고 장착되는 촉매는 튜브 내 압력 손실이 적도록 채널 내벽에 피복 등의 방법으로 장착되고, 길이 방향으로 촉매 조성을 조절하든가 촉매 양을 조절하는 방법으로 이웃하는 셀 튜브의 길이 방향 발열량에 비례하여 개질 반응 속도가 적절히 조절되어 셀 모듈 내 길이 방향 온도 편차를 줄일 수 있도록 개질기가 제작되는 것이 좋다.
본 발명에 있어서, 지지체 튜브의 반응부에 길이 방향으로 반복하여 형성된 단위 셀 집적부는 튜브 내 일정 부위를 일정 길이 및 깊이로 일정한 간격을 두고 1차 연삭한 후 음극 피복, 다시 연삭하지 않은 간격 부위의 왼쪽 일부분을 2차로 수직으로 일정 깊이로 연삭하여 음극층을 제거한 후 전 부위에 전해질 피복, 다시 연삭하지 않은 간격 부위의 왼쪽 수직 벽면을 3차 연삭에 의해 전해질층을 벗겨내고 음극층이 노출되게 한 후 연삭 부위가 덮이도록 전기연결재를 피복하여 전기연결재층이 음극층에 연결되어 길이 방향 수직으로 형성되고, 최종 양극층 피복 부위는 1차 연삭부 상의 일정 깊이의 홈에 두껍게 이웃한 음극층과 연접한 전기연결재와 연결되게 형성시키는 방법으로 생성되며, 이때 지지체 튜브는 최초 성형 후 또는 피복 공정 후 최종 소결온도보다 낮은 온도, 바람직하게는 200~400℃ 낮은 온도에서 가 소결하여 상기 연삭 공정을 보다 쉽게 수행할 수 있다. 구체적으로는 지지체 튜브 상에 길이 방향으로 반복되는 상기 단위 셀의 길이는 5~50mm, 단위 셀 사이의 간격은 10mm 이하, 단위 셀 연삭부의 깊이는 0.1~5mm로 형성하고, 1차 연삭 후 단위 셀 집적부 전 부위에 음극층을 충분히 두껍게 피복하고 다시 가 소결 과정을 거친 후 1차에서 연삭되지 않은 부위의 일부분을 2차로 연삭하여 음극층을 제거하고, 다시 외부면 전 부위에 전해질층을 피복하고 가 소결한 후 지금까지 연삭되지 않은 옆부분 돌출부의 수직 벽면을 3차로 연삭하여 이웃한 단위 셀의 음극층이 노출되게 한 후 이 부위에 전기연결재층을 수직으로 피복하고 앞서 피복된 전해질층과 전기연결재층이 치밀막으로 형성되는 고온에서 소결한 후, 마지막으로 1차 연삭부인 함몰된 부분에 양극 재료를 충진하고 양극의 소결온도에서 소결하여 최종적으로 단위 셀 집적부를 완성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 음극층은 음극층보다 전도성이 높은 기능성층을 피복하고 그 위에 피복됨으로써 음극층의 전기저항을 줄일 수 있다.
본 발명은 또 다른 일 측면에서, 외면에 내부채널과 연통되는 적어도 하나의 제1개구가 형성된 튜브형 개질기와 외면에 내부채널과 연통되는 적어도 하나의 제2개구가 형성되고, 단위셀들이 직렬로 연결된 반응부가 형성된 적어도 하나의 튜브형 반응기를 포함하며, 상기 튜브형 반응기 외면으로 공기 유로가 형성되고, 상기 제1개구와 제2개구가 연결되어 상기 개질기에서 개질된 가스가 상기 반응기 내부로 유입되는 고체산화물 연료전지용 셀모듈을 제공한다.
본 발명은 또 다른 일 측면에서, 관형 지지체 표면에 길이 방향을 따라 일정 간격으로 양극, 전해질, 음극, 및 전기연결재로 이루어진 단위셀이 연결된 반응부가 형성되고, 상기 단위셀은 양극이 음극보다 두껍고, 전기연결재는 박막의 수직방향으로 전기가 흐르는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 튜브형 반응기를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 반응부는 표면에 음극, 전해질 및 양극으로 적층된 단위셀들이 반복적으로 이격 형성되고 한 단위셀의 양극은 이웃한 단위셀의 음극에 전기연결재에 의해 연결되고, 상기 반응부는 튜브형 반응기의 외면 중앙부에 형성되고, 반응기 외면 양측에는 전기 연결재가 형성되어, 반응부 좌우 말단의 음극 및 양극에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 튜브형 반응기를 제공한다.
본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 튜브형 지지체에 양극을 두껍게 하고 세라믹 전기연결재를 박막의 수직 방향으로 전기가 통하게 하여 저항을 줄인 분할형 셀 집적 튜브(이하 "튜브"라 명칭 함)를 제작하고, 개질기 튜브를 혼합 배열한 후 튜브 양끝 또는 한쪽 끝에 튜브 간 연결되는 연료가스 관통로 및 공통 챔버를 형성하는 방법으로 튜브 간 연료가스 흐름 통로가 형성되게 제작된 내부 개질형 셀 모듈이 집적된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 셀 모듈들을 일정 개수 집적하여 양끝 튜브들의 말단 전극들과 연결되도록 연료가스 유입용 및 배출용 매니폴드가 장착된 셀 번들을 형성하고, 상기 셀 번들은 상하좌우 반복 배치하고 튜브 중앙에 공기 매니폴드가 부착된 핫 박스를 장착하여 스택 모듈을 형성하고, 상기 스택 모듈은 연료가스 매니폴드끼리 연결되고 그리고 공기가스 매니폴드끼리 연결되어 2차원 스택 번들을 형성하며, 스택 번들을 다시 상하로 적층하여 최종적으로 3차원의 고체산화물 연료전지용 스택을 이룬다.
본 발명에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지용 스택은 셀 튜브 간, 셀 번들 간, 또는 스택 모듈 간 전기적으로 직렬 및 병렬의 혼합 연결이 가능하고, 공기는 핫 박스 내로 유입되어 개개의 튜브의 쉘 측(shell side)으로 흐르게 되고, 탄화수소 함유 연료가스는 핫 박스 밖 연료가스 매니폴드를 통해 개질기로 유입되어 수소 함유 가스로 개질된 후 개개의 단위 셀이 장착된 튜브 내부 채널을 지나 반대쪽 연료가스 매니폴드로 배출되므로, 밀봉이 쉽고 내부 개질기를 통한 정교한 열관리가 가능하면서도 최종적으로는 스택의 대형화가 가능하고 셀 번들의 교체에 의한 수리가 가능하다.
본 발명은 또한 내부에 연료가스 채널이 하나 또는 복수 개 존재하는 관형 지지체에 양극층이 보다 두껍게 피복되고 전기연결재층이 전기 흐름 방향의 직각으로 피복된 분할형 셀 튜브와; 내부 채널에 탄화수소 개질용 촉매가 장착된 개질기 튜브와; 이들 튜브들의 양끝 또는 한쪽 끝에 내부 채널과 연결되고 외부로 관통되는 천공 등의 방법으로 형성된 수직 통로와; 상기 개질기 튜브 1개당 2개씩의 셀 튜브를 상하 또는 상하좌우로 수직 통로가 마주 보도록 하고 배열하되, 복수 개의 튜브 거치용 구멍을 가진 사각형의 지지판(supporting plate) 또는 1개의 튜브를 거치할 수 있는 사각 링(ring)에 튜브를 끼워서 장착하되 중앙의 일부 단위 셀 상의 전해질층 부분에는 튜브 간 기계적 강도 보강을 위한 세라믹 재료의 지지판 또는 링, 말단 단위 셀 옆에는 나중 중앙에 장착되는 핫 박스의 열을 차단하기 위한 단열재 지지판 또는 링, 그 다음 수직 통로 좌우에는 세라믹, 밀봉재, 세라믹의 재료로 조합된 3가지 지지판 또는 링, 최종적으로 튜브 양끝에는 금속 재료로 된 전기연결재 지지판 또는 링이 차례로 장착되어 배열되며,
상기 셀 모듈을 반복 단위(unit)로 밀착 배열하고 양끝에 연료가스 매니폴드를 장착하고 튜브 끝의 전기연결재와 연결하여 상위 크기의 셀 번들이 제작되고,
상기 셀 번들을 복수 개 배열하되 중앙에 핫 박스가 장착되고 핫 박스 밖 양끝에 매니폴드 거치용 랙이 설치된 스택모듈이 제작되고,
상기 스택 모듈의 공기 매니폴드끼리 및 연료가스 매니폴드끼리 2차원적으로 반복 연결된 스택 번들이 제작되고, 상기 스택 번들을 상하로 적층하여 최종 스택이 완성되는 방법에 의해 스택 크기가 3차원적으로 무한정 확장될 수 있는 내부개질형 대형 스택 및 그 제작 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 스택 내 셀 번들 양끝의 연료가스 매니폴드는 수소 가스의 환원 분위기의 오픈 챔버(open chamber) 상에 노출되어 외부에서 쉽게 전기적 연결이 가능하고 또한 원하는 대로 직렬, 병렬 또는 직병렬 혼합 연결이 가능하여 최종적으로 소형 튜브로도 병렬 연결에 의한 반응면적의 대면적화가 가능하고 직렬 연결에 의한 고전압화가 가능하며, 셀 번들 내에서 전기적으로 병렬 연결된 셀 튜브들은 제작상 무결점의 완벽한 제작을 요구하지 않아 제작을 쉽게 하고, 랙 상에 거치된 셀 번들은 언제든지 교체가 가능하여 운전 및 유지 보수가 용이한 대형 스택 및 그 제작 방법을 제공한다.
본 발명의 상기 내부개질형 스택은 튜브 내 밀봉재가 핫 박스 밖에 존재하고 냉각이 이루어져 용해 문제가 없거나 스택을 튜브 길이 방향으로 수직으로 세워서 튜브 사이에 밀봉재가 용해된 상태로 퍼져서 존재하여 밀봉이 완벽하게 될 수 있으며, 별도 개질기 튜브를 사용한 간접 내부 개질로 개질 촉매의 종류에 따라 다양한 연료가스를 직접 사용할 수가 있고, 연료가스의 유입 및 배출을 위한 매니폴드는 셀 번들 상의 내부 매니폴드, 스택 모듈로 통합된 외부 매니폴드, 또는 최종 스택으로 통합된 외부 매니폴드로서 사용이 가능하고 매니폴드로 유입된 탄화수소 함유 가스는 항상 개개의 개질기 내부 채널로 유입되어 수소 함유 가스로 개질되어 셀 모듈 내 셀 튜브의 내부 채널들을 지그재그로 거쳐 반대쪽 매니폴드로 배출되어 스택의 대형화를 위한 매니폴드 간 통합 및 연결이 가능하고, 공기는 스택 모듈 길이 중앙에 위치한 핫 박스 상의 매니폴드로 유입되어 개개의 튜브의 쉘 측으로 흘러서 배출용 매니폴드로 모여서 배출되어 연료가스와의 혼입 문제가 없고 스택 내 공기 매니폴드 간의 통합 또는 연결이 가능하여 최종 스택의 3차원적인 크기 대형화를 가능하게 하고, 대형화 후에도 스택 내에 골고루 분산된 개질기가 흡열 개질반응을 일으켜 연료전지 발열 반응열을 소모하여 튜브 상에 또는 셀 번들 내 위치에 따른 열 편차가 적고 전체 스택의 보다 정교한 열 제어 및 관리가 가능하며, 또한 핫 박스를 가로질러 좌우 랙 상에 거치된 셀 번들은 장입 및 인출이 쉽게 이루어질 수 있어서 스택의 성능 유지를 위한 셀 번들 교체 및 스택의 수리가 가능한 새로운 형태의 고체산화물 연료전지용 스택 및 그 제작 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스택의 제작 과정은,
먼저 내부에 연료가스 채널이 1개 또는 복수 개 생성된 다공성 튜브형 지지체의 내외부면에 세라믹 재료의 치밀막을 피복 및 소결에 의해 형성하거나 또는 기공이 없는 지지체를 사용하여, 내부 채널에 탄화수소 개질용 촉매를 장착하고 한쪽 끝 내부 채널을 막고 그 옆에 내부 채널이 외부로 관통되는 수직 통로를 천공 등의 방법으로 생성한 개질기용 튜브를 완성하는 단계; 및
상기 지지체의 중앙부에 음극층, 전해질층, 양극층, 전기연결재층을 피복 및 연삭의 공정에 의해 제조하되, 양극층은 연삭된 홈에 장착되어 충분히 두껍게 피복되고 전기연결재층은 연삭된 지지체의 수직 벽면에 피복되어져 좌우 단위 셀 상의 음극층과 양극층을 피복면의 수직 방향으로 연결하여 전기 저항이 아주 적어지도록 하여 직렬 연결된 단위 셀들이 반복 제작되고, 다시 말단 셀로부터 전기연결재를 튜브 양끝까지 연장 피복한 후, 최종적으로 내부 채널 한쪽 또는 양쪽을 막고 그 옆에 내부 채널과 관통된 수직 통로를 형성하여 최종적인 분할형 셀 집적 튜브(이하 "튜브" 명칭)를 완성하는 단계; 및
상기 개질기 튜브 1개당 짝수 개씩의 셀 튜브를 상하 또는 상하좌우로 수직통로가 마주보도록 하고 배열하되, 배열하는 방법은 복수 개의 튜브 거치용 구멍을 가진 사각형의 지지판(supporting plate) 또는 1개의 튜브를 거치할 수 있는 사각 링(ring)에 튜브를 끼워서 장착하되 중앙의 일부 단위 셀 상의 전해질층 부분에는 튜브 간 기계적 강도 보강을 위한 세라믹 재료의 지지판 또는 링, 말단 단위 셀 옆에는 나중 중앙에 장착되는 핫 박스의 열을 차단하기 위한 단열재 지지판 또는 링, 그 다음 수직 통로 좌우에는 세라믹, 밀봉재, 세라믹의 재료로 조합된 3가지 지지판 또는 링, 최종적으로 튜브 양끝에는 금속 재료로 된 전기연결재 지지판 또는 링이 차례로 장착되고 지지판의 경우에는 그대로 사용하거나 복수 개를 다시 배열하여 최종적인 셀 모듈을 완성하는 단계; 및
상기 셀 모듈을 다시 상하 또는 상하좌우로 일정 개수 밀착 배열하고 튜브 양끝에 연료가스 매니폴드를 장착하고 튜브들 끝의 전기연결재에 연결되게 한 후, 전체를 수직으로 세우고 고온에서 밀봉재를 녹이는 방법으로 하부 세라믹 지지판 또는 링에 의해 밀봉재가 새지 않고 고이고 튜브 사이사이 및 셀 번들과 매니폴드 내벽 사이 골고루 퍼지게 하여 최종적으로 수직 통로를 포함한 좌우 밀봉재 부분 사이에 연료가스 흐름용 챔버가 생성되도록 셀 번들을 완성하는 단계; 및
상기 단위 셀 번들 일정 개수를 서로 전기적 접촉이 되지 않게 일정한 거리를 두고 상하 좌우로 배열하여 스택 모듈을 제조하되 상기 스택 모듈의 중앙 반응부는 핫 박스 내에 장착되고 양끝 연료가스 매니폴드들은 핫 박스 밖의 랙 상에 거치되도록 하여 스택 모듈을 완성하는 단계; 및
상기 스택 모듈 복수 개를 핫 박스 상의 공기 매니폴드끼리 연결한 후 이를 다시 연료가스 매니폴드끼리 연결하여 스택 번들을 완성하는 단계; 및
상기 스택 번들을 다시 상하로 적층하여 3차원적으로 크기가 무한정 확장될 수 있는 스택을 완성하는 단계;를
포함하는 고체산화물 연료전지용 스택 및 그 제작 방법이 제공된다.
본 발명에 있어서, 상기 튜브형 지지체는 구체적으로 비전도성의 재질을 사용하여 튜브 형태로 제조되며 그 모양은 단면이 원통형, 사각형, 다각형 등 어떤 형태로도 사용이 가능하며 관 내부에 길이 방향으로1개 이상의 연료가스 흐름용 채널이 존재하게 되고 공기는 튜브를 거리를 두고 상하좌우로 배열 시 튜브 shell 사이에 생겨난 틈새 공간에 의해 생성된다.
본 발명에 있어서, 상기 다공성 지지체를 이용한 개질기의 구체적인 제작 방법은 우선 개질기 내외부면을 세라믹 재료를, 바람직하게는 전해질 재료를 피복한 후 소결하여 치밀막층을 형성하거나 또는 기공이 없는 튜브로 제작한 후 내부 채널에 탄화수소 개질용 촉매를 거치 또는 피복 등의 방법으로 장착한 후, 최종적으로 내부 채널 한쪽 끝을 막고 그 옆에 내부 채널과 외부면으로 연결되는 수직 통로를 천공 등의 방법으로 생성하여 완성하게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 지지체를 이용하여 단위 셀들이 직렬 연결된 단위 셀 분할형 셀 튜브의 구체적인 제작 방법은 외부면 중앙에 길이 방향으로 연료극층(이하 "음극층"이라 칭함), 전해질층, 공기극층(이하 "양극층"으로 명함) 및 전기연결재층으로 구성된 소형 단위 셀이 반복되어 형성되고 단위 셀 간 반대극끼리 전기연결재로 연결되어 제조되며, 구체적으로는 1차로 지지체를 일정한 깊이와 넓이로 연삭하는 것을 일정한 거리를 두고 반복하여 요철 부위를 만든 후 음극층을 피복하고 연삭되지 않은 부위에서 음극층의 일부분(예로 돌출부의 왼쪽 일부분)을 2차로 연삭하여 음극층을 벗겨내고, 전 외부면에 다시 전해질층을 피복한 다음 다시 3차로 연삭되지 않은 돌출부 왼쪽의 수직 벽면에 피복된 전해질층을 벗겨내고 음극층을 노출시킨 후 그 벗겨낸 부분에 전기연결재를 좌우 단위 셀의 전해질층과 중첩되게 피복한 후 최종적으로 1차로 연삭된 홈 부분에 양극층을 두껍게 충진하여 오른쪽 전기연결재층과 연결하는 방법으로 제작하여 분할형 셀 튜브를 완성하며 상기 셀튜브 상의 양극은 두께가 두꺼워져서 전기저항이 작고 전기연결재는 전기가 피복층의 직각 방향으로 흘러서 전기저항이 작게 제작되며, 마지막으로 튜브의 한쪽 끝 또는 양쪽 끝을 막고 그 옆에 내부 채널이 외부로 관통되는 수직 통로를 천공 등의 방법으로 생성하여 최종적인 셀 튜브가 완성되게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 셀 튜브 및 개질기를 혼용하여 단위 셀 모듈을 제작하는 구체적인 방법은 1개의 개질기 튜브 상하 또는 상하좌우에 각각 짝수 개씩의 셀 튜브를 일정한 간격으로 배열하되, 개질기 및 셀 튜브들 사이 수직 통로가 서로 마주 볼 수 있도록 일정한 거리을 두고 배열하되 그 배열하는 방법은 복수 개의 튜브 거치용 구멍을 가진 사각형의 지지판 또는 1개의 튜브를 거치할 수 있는 사각 링에 튜브를 끼워서 장착하되 중앙의 일부 단위 셀 상의 전해질층 부분에는 튜브 간 기계적 강도 보강을 위한 세라믹 재료의 지지판 또는 링, 말단 단위 셀 옆에는 나중 중앙에 장착되는 핫 박스의 열을 차단하기 위한 단열재 지지판 또는 링, 그 다음 수직 통로 좌우에는 세라믹, 밀봉재, 세라믹의 재료로 조합된 3가지 지지판 또는 링, 최종적으로 튜브 양끝에는 금속 재료로 된 전기연결재 지지판 또는 링이 차례로 장착되고 지지판의 경우에는 그대로 사용하거나 복수 개를 다시 배열하여 최종적인 셀 모듈을 완성하게 되며, 상기 셀 모듈은 나중에 셀 번들 제작 후 수직으로 세워서 밀봉재를 녹이는 방법으로 튜브 사이가 밀봉되게 되고, 밀봉 후에는 수직 통로를 포함한 좌우 밀봉재 부분 사이에 외부와 단절된 연료가스 챔버가 생성되고 상기 챔버는 튜브 간 수직 통로를 통하여 연료가스의 이동을 매개해 주는 역할을 하게 된다. 구체적인 가스 흐름은 개질기 튜브 한쪽으로 유입된 탄화수소 함유 가스는 내부 채널에 장착된 개질 촉매상에서 개질된 후 수소 함유 가스로 바뀌고 개질된 가스는 개질기 배출 쪽 수직 통로 및 이웃한 셀의 수직 통로를 경유하여 내부 채널을 지나 반대쪽의 수직 통로를 통해 다시 이웃한 셀의 수직 통로로 들어가 내부 채널을 지나는 방법이 반복되어 가스 흐름이 튜브 길이 방향으로 지그재그로 흘러 최종적으로 개질기 유입구 반대쪽으로 배출되게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 셀 모듈을 다시 상하 또는 상하좌우로 반복 집적하여 일정 크기의 셀 번들을 완성하는 구체적인 방법은, 셀 모듈을 일정 개수 밀착 배열하고 양끝에 연료가스 매니폴드를 장착하되 튜브 끝 금속 전기연결재 부분이 연료가스 매니폴드에 연결되도록 제작되며, 전기연결을 완성한 후 전체 셀 번들을 수직으로 세우고 고온에서 밀봉재를 녹여서 튜브 사이 사이와 셀 번들 및 매니폴드 내벽 사이에 밀봉재가 액체 상태로 고여서 밀봉이 완벽하게 이루어지도록 한다.
본 발명의 일 실시에 있어서, 상기 셀 번들 내 밀봉재의 완벽한 밀봉을 위해서는 상기 셀 번들을 수직으로 세운 후 밀봉제를 녹일 경우 밀봉재가 아래로 새는 것을 방지하기 위해 밀봉제 아래에 장착된 세라믹 지지판 또는 링은 튜브를 장착하거나 밀착 배열 시 틈새 사이에 세라믹 페이스트(paste) 또는 접착제를 도포하여 하부 세라믹 지지부에 틈새가 없도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 셀 번들을 복수 개 배열하여 일정 크기의 스택 모듈을 완성하는 구체적인 방법은 중앙에 셀 번들들이 장착될 핫 박스를 놓고 핫 박스 좌우에 셀 번들들이 거치될 랙을 놓아 랙 상에 셀 번들들을 일정한 간격으로 병렬 배열시키게 된다. 따라서 상기 핫 박스는 길이 방향 좌우 벽면이 개방되고 앞뒷면으로는 공기 유입 및 배출용 매니폴드가 장착되며, 상기 랙은 이중으로 된 벽에 최소한 좌우가 개방된 박스가 일정하게 배열되게 제작된다. 그 다음 오픈 박스(open box)의 바닥에 일정 두께, 바람직하게는 10㎜ 이하, 보다 바람직하게는 5㎜ 이하 두께의 단열재판을 핫 박스를 가로질러 장착하고 그 위에 셀 번들을 마찬가지로 핫 박스를 가로질러 오픈 박스 내에 거치한 후 셀 번들 윗면과 오픈 박스 틈새 사이에 다시 단열재판을 핫 박스를 가로질러 밀어넣어 장착하며 최종적으로 셀 번들 양끝 매니폴드와 오픈 박스의 틈새에 단열재 플러그를 핫 박스의 좌우 벽면 위치에 끼워서 핫 박스로부터의 열을 차단하게 된다. 상기 단열재판이나 단열재 플러그는 핫 박스로부터의 열 차단 역할 이외에도 셀 번들과 랙 상의 전기적인 접촉을 차단하게 되며, 특히 상하면 단열재판은 핫 박스 내에서 상하 셀 번들 간 틈새로 공기가 과다 유출되는 것을 차단되게 한다.
본 발명에 있어서, 상기 스택 모듈의 공기가 유입 및 배출되는 핫 박스의 앞뒤 벽면은 공기 흐름용 작은 채널 구멍이 골고루 분산된 두꺼운 벽으로 구성되어 열 차단이 효과적으로 발휘되고, 필요 시 작은 구멍들이 랜덤하게 뚫어진 타공판을 외부에 1개 이상 추가로 설치한 후 최종적으로 공기 유입 및 배출용 매니폴드가 장착되어, 핫 박스로부터의 매니폴드 밖으로의 열 방출을 효과적으로 차단하고 배관으로 유입된 공기 흐름의 분산을 효과적으로 증가시킬 수 있게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 스택 모듈의 랙 상의 오픈 박스와 매니폴드 사이의 바깥 쪽 틈새에 사각 링 형태의 세라믹 플러그를 추가로 끼워 막으면 오픈 박스 내 매니폴드 사이사이로 공기를 불어 넣을 수 있는 공기 챔버가 완성되며, 상기 챔버를 통하여 공기를 불어넣어 필요 시 연료가스 매니폴드의 온도, 구체적으로 매니폴드 속의 밀봉재의 온도를 조절할 수 있다. 예컨대, 상기 랙과 상기 오픈 박스 사이의 상기 챔버에 냉각용 공기를 불어 넣으면 연료가스 매니폴드 내부의 밀봉재가 용융점 이하로 유지되어 밀봉이 유지될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 스택 모듈 상의 연료가스 매니폴드끼리 및 공기 매니폴드끼리를 연결하여 2차원으로 확장된 스택 번들 제작 시 연료가스 유입용 또는 배출용끼리 연결된 매니폴드 연결 챔버 중 하나는 그 길이를 셀 튜브 길이보다 길게 하여 필요 시 셀 번들의 인출 또는 장입이 쉽게 이루어질 수 있도록 제작되어 지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시에 있어서, 스택 번들 내 연료가스나 공기의 매니폴드 또는 매니폴드 연결 챔버는 상하의 스택 번들 사이에 통합되어 하나의 통합 매니폴드 또는 통합 연결 챔버로 제작될 수도 있고, 튜브 길이 방향의 말단의 연료가스 매니폴드도 필요 시 이웃한 매니폴드끼리 하나로 통합되어 제작될 수 있다.
본 발명의 일 실시에 있어서, 고체산화물 연료전지용 스택은 하나의 단위 스택모듈을 최소 크기의 스택으로 사용할 수 있고, 또는 단위 스택모듈이 공기 방향으로 직렬로 연결된 후 상하로 밀착 배열하여 중간 크기의 스택으로 사용할 수 도 있고, 또는 연료가스 방향으로 2개만 최소한의 단위로 마주 보고 연결된 것을 공기방향으로는 직렬 연결하고 최종 상하 방향으로 배열하여 최종 스택으로 사용할 수도 있다.
본 발명의 일 실시에 있어서, 고체산화물 연료전지용 스택 내 스택 모듈들의 공기 유입 및 배출용 매니폴드 간 직렬 연결은 배출 공기 내 산소농도가 유입용으로 적합하지 않은 수준으로 감소되는 시점, 바람직하게는 산소농도 5% 이하의 시점에서 연결을 중단하고 상기 직렬 연결된 단위의 유입 및 배출용 매니폴드끼리 마주보게 반복 연결하여 공기를 분산하여 유입함으로써 공기농도의 감소를 피하면서 대형화시킬 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시에 있어서, 고체산화물 연료전지용 최종 스택은 튜브들이 수직으로 세워지는 방향으로 설치하여, 운전 시 연료가스 매니폴드 안쪽의 유리 성분 함유 밀봉재가 녹는 고온의 범위, 즉 700℃ 이상에서 유지하여 운전될 수도 있다.
본 발명의 일 실시에 있어서, 스택의 보다 정교한 열관리를 위해 외부에 소형 개질기를 추가로 설치하고 외부 개질기와 내부개질기의 개질 비율을 조정하여 관리되도록 할 수도 있다.
본 발명의 일 실시에 있어서, 개질기 내부 채널에 장착되는 촉매는 개질기 길이 방향으로 그 성분을 달리하거나 장착되는 양을 조절하여 내부 개질이 점진적으로 일어나도록 하여 이웃한 셀 튜브 내 온도 분포를 보다 고르게 제어할 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명에 의해 제작된 단위 셀이 분할된 관형 고체산화물 연료전지용 스택은, 첫째, 셀 튜브 내 단위 셀의 제작 시 지지체 일부분을 일정한 깊이로 파낸 후 피복하는 연삭-피복의 혼합 공정을 도입하여 전기연결재가 관의 길이 방향의 수직으로 피복되고 양극도 연삭된 함몰 부분에 두껍게 충진되어 전기 저항이 작아져 기존의 분할형 셀에 비해 셀의 성능이 한층 개선되는 효과를 가져오며, 둘째, 같은 지지체를 사용한 내부 개질기 튜브를 제작한 후 상기 셀 튜브와 혼용하여 배열하고 튜브 양끝에 연료가스 챔버와 튜브 간 연료가스 연결 통로를 구축하여 내부 개질된 가스를 이웃한 셀 튜브에 공급함으로써 흡열 반응을 일으키는 개질기가 연료전지 발열 반응 열을 소모하여 셀 모듈 상의 위치에 따는 열 편차가 적고 전체 스택의 보다 정교한 열 관리가 가능하고 개질기 내 촉매의 적절한 선택에 따라 연료 사용의 다양성이 확보되는 내부 개질형이 제공되며, 셋째, 개질기와 셀 튜브를 혼용 배열하여 일정 크기로 제작된 셀 번들은 튜브 사이 간격에 끼워진 세라믹 지지체 및 고온 밀봉재에 의해 수직 통로 좌우의 밀봉부에 의해 연료가스 흐름용 챔버가 완성되고, 전해질층 상에 장착된 세라믹 스페이서(spacer)에 의해 튜브 간 기계적 강도가 증가되며, 단열재에 의해 중앙의 반응부와 양끝이 열적으로 차단되며, 셀 튜브 상의 양끝 전기연결재가 양끝 연료가스 유입 및 배출용 매니폴드에 직접 전기적으로 연결되어 산소에 의한 부식 문제가 없으며, 넷째, 상기 셀 번들을 상하좌우로 배열하여 스택 모듈을 제작할 때 스택 모듈의 중앙에 핫 박스가 놓이고 좌우 랙 상의 오픈 박스에 개개의 셀 번들이 양끝 매니폴드 부분을 거치하여 셀 번들의 핫 박스로의 장입 및 인출이 쉽고 연료가스는 개개의 튜브 내로 공기는 튜브 중앙 핫 박스 내로 유입되어 가스 혼입이 없고, 다섯째 상기 스택 모듈을 연료가스 매니폴드끼리 반복 연결하고 다시 공기 매니폴드끼리 반복 연결하여 2차원적으로 확장 가능한 스택 번들이 제작되고 이를 다시 상하로 쌓아서 3차원적으로 무한정 확장 가능한 거대한 스택이 제작될 수 있으며, 여섯째, 상기 스택 내 단위 셀들은 전기적으로 직-병렬이 혼합되고 그 비율도 스택 내 셀 번들 사이의 전기연결 방식을 조정하여 최종적 비율 조절이 가능하게 되어 전기적으로 병렬 연결에 의한 소형 셀의 대면적화가 달성되는 효과와 함께 직렬 연결에 의한 고전압의 달성을 가능하게 하면서도, 최종 스택이 셀 번들로 모듈화되어 있어서 특정 셀의 성능 저하나 고장 시 해당되는 단위 셀 번들의 교체가 가능한 새롭고도 진보된 형태의 고체산화물 연료전지용 스택 및 그 제작 방법을 제공한다.
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도 1은 본 발명에 따른 관형지지체를 사용하여 제작된 고체산화물 연료전지용 내부개질기의 길이방향 상하 절개도.
도 2는 본 발명에 따른 관형 지지체를 사용하여 길이 방향 단위 셀 및 내부 채널 관통용 수직 통로를 형성시켜 완성한 고체산화물 연료전지용 분할형 셀 튜브의 길이 방향 절개도.
도3은 본 발명에 따른 도2상의 2개의 단위셀 부분 (S)에서의 분할형 단위셀의 제작과정을 단계적으로 보여주는 확대도
도 4는 본 발명에 따라 1개의 개질기 상하로 2개 씩의 분할형 셀을 배열하여 단위셀들이 직렬-병렬 혼합 연결된 고체산화물 연료전지용 단위 셀모듈의 제작을 나타낸 길이 방향 절개도.
도 5는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 개질기와 분할형 셀 튜브를 상하좌우로 일정거리를 두고 배열하여 셀모듈 또는 셀번들을 제작하기 위한 튜브 장착용 사각 지지판의 단면도 및 사각링의 입체도.
도 6는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 단위 셀모듈들을 상하좌우로 3 x 3개 배열하여 제작된 고체산화물 연료전지용 셀번들의 길이 방향 절개도.
도 7는 본 발명에 따른 도 6의 셀번들의 길이 수직 방향 A-A'부분 및 B-B'부분 단면 절개도.
도 8는 본 발명에 따른 단위 셀 번들 3×3개를 일정 거리를 두고 거치용 랙에 상하좌우 배열하여 제작된 고체산화물 연료전지용 스택 모듈의 길이 방향 절개도.
도 9는 본 발명에 따른 상기 도8의 고체산화물 연료전지용 스택모듈의 D-D 부분 단면도.
도 10는 본 발명에 따른 상기 도8의 고체산화물 연료전지용 스택모듈의 E-E 부분 단면도.
도 11은 본 발명에 따른 스택 모듈을 2개의 연료 유입용 매니폴드끼리 연결하여 스택 모듈을 제작하고, 이를 다시 4개를 공기 유입용 매니폴드 및 공기 배출용 매니폴드끼리 연결하여 제작된 고체산화물 연료전지용 스택 번들의 상부 조감도.
도 12는 본 발명에 따른 도11의 스택번들 3개를 다시 상하로 배열하여 제작된 고체산화물 연료전지용 최종 스택의 입체도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하고자 하나 본 발명이 반드시 여기에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에 이용되는 고체산화물 연료전지용 스택을 제조하기 위해 사용되는 지지체(101)는 기체가 투과할 수 있고 재질이 부도체이며 고온에서 안정하면 기본적으로 어떤 재료도 사용 가능하며, 그 모양은 단면이 원통, 사각형 또는 기타 다각형의 형태를 하고 내부에 길이 방향으로 1개 이상의 연료가스 흐름용 채널이 존재하게 된다.
상기 지지체를 이용한 탄화수소의 수소 또는 수소 및 CO 함유 가스로의 개질반응용 내부 개질기 튜브(102)의 제작은, 한 예로 도 1의 다공성 튜브의 길이 방향 상하 절개도에서 보는 것처럼, 내부 채널(1)이 형성된 지지체(101) 상의 내부 채널 한쪽 끝을 점결재가 포함된 세라믹 재료(21) 등으로 막고 그 옆에 내부 채널과 연결된 개질가스 배출용 수직 통로(11)를 천공 등의 방법으로 1개 이상 생성시킨 후 내외부 면에 세라믹 재료, 바람직하게는 전해질 재료를 피복하고 고온에서 소결하여 치밀막(4)을 형성한 후 내부 채널(1)의 전부 또는 일부에 탄화수소 개질용 촉매(3)를 거치 또는 피복 등의 방법으로 장착하되 그 장착량이나 종류를 길이 방향으로 잘 조절하여 개질반응이 점진적으로 진행될 수 있도록 제작된다.
상기 다공성 지지체(101) 외부면 상에 고체산화물 연료전지용 단위 셀이 직렬 연결된 분할형 셀 집적 튜브(103a, 103b)의 제작은 도 2의 튜브 길이 방향 상하 절개도에서 보는 것처럼 지지체(101)의 내부 채널(1)의 양쪽 끝 또는 한쪽 끝을 점결재가 포함된 세라믹 재료(21) 등으로 막고 그 옆에 내부 채널과 연결된 개질가스 유입용(12, 14) 및 배출용(13) 수직 통로를 1개 이상 천공하여 생성한 후 외부면 중앙부에 음극(22), 전해질(23), 양극(25)을 포함하는 층으로 구성된 복수 개의 단위 셀을 일정한 간격으로 반복하여 형성시키고 전도성의 전기연결재(24)로 단위 셀의 음극과 이웃한 단위 셀의 양극 사이를 연결하여 최종적으로 전기적으로 직렬 연결된 셀 집적부(26)가 완성되고 말단 단위 셀의 음극(22) 및 양극(25)은 전기연결재에 연결되어 튜브 끝까지 피복되어진 음극 전기연결부(27) 및 양극 전기연결부(28)로 나뉘게 된다. 이때 수직 통로가 튜브 한쪽 끝에만 생성된 셀 집적 튜브(103b)는 수직 통로의 위치가 필요에 따라 음극연결부(27) 또는 양극연결부(28)에 위치하게 된다.
상기 셀 집적부(26) 내의 단위 셀의 형성 및 전기적 연결 방법은 도 2의 "C" 부분의 2개의 단위 셀에 대해 본 발명에서의 구체적인 제작법이 도 3에 보다 상세하게 제시되어 있다. 도 3에서 보면 지지체(101) 상의 일정 부분을 일정 길이 및 깊이로 1차로 연삭 등의 방법으로 일정한 간격으로 반복해서 파내게 되는데, 이를 위해 지지체의 성형 후 최종 소결온도보다 낮은 온도, 바람직하게는 200~500℃ 정도의 낮은 온도에서 소결하여 연삭이 보다 쉽게 이루어지도록 준비된다. 파내어진 곳(31)은 최종적으로 양극층이 형성될 곳으로 길이는 5~50mm 사이, 바람직하게는 10~30mm 사이를 유지하고 깊이는 0.1~5mm 사이, 바람직하게는 0.2~2mm 사이를 유지하는 것이 좋으며 최종 결정은 양극층을 두껍게 하여 저항을 줄이는 것과 재료비를 절감하는 절충 선에서 결정된다. 파낸 곳 사이 간격은 전기연결재층의 형성을 위해 필요하며 그 간격은 10mm 이하, 바람직하게는 5mm 이하로 유지된다. 1차 연삭 후에 집적부의 전 면에 음극층을 피복하고 가 소결하며(104a), 이때 음극층은 길이 방향의 저항을 줄이기 위해 비교적 두껍게 피복되어야 하며, 통상 0.1mm 이상의 두께를 유지할 수 있게 하거나 필요 시 전도성 목적의 기능층을 피복한 후 그 위에 음극층을 피복할 수도 있다. 그 다음 연삭되지 않은 돌출부의 왼쪽 일부(32)를 2차로 연삭하여 피복된 음극층 포함 전도성층을 벗겨내고(104b), 다시 전 부위에 전해질층(23)을 피복한 후(104c) 가 소결하고, 오른쪽 연삭되지 않은 돌출부의 수직 벽면의 전해질층(33)을 3차로 연삭하여 벗겨내어 음극층을 노출시키며(104d), 그 다음 벗겨낸 부분(33)에 전기연결재층(24)을 스프레이 등의 방법으로 좌우 단위 셀의 전해질층과 중첩되게 피복한 후, 전해질층(23)과 전기연결재층(24)에 치밀막을 형성하기 위해 고온에서 소결한 후(104e), 1차 연삭에 의해 파내어진 홈(31) 부분에 최종적으로 양극층(25)을 두껍게 오른쪽의 전기연결재와 연결되도록 채우고 마지막 소결 과정을 거쳐서 최종적인 단위 셀의 집적층(104f)이 완성된다. 이때 전기연결재층의 형성은 습식 피복 후 전해질층과 공소결의 과정을 거치거나 또는 플라스마 스프레이, 물리 증착법 등의 건식 피복에 의해 바로 치밀막을 형성할 수도 있다.
도 4는 상기 평관형 개질기 튜브(102) 1개의 상하 또는 상하좌우에 같은 모양의 평관형 셀 튜브 2개(103a, 103b)를 거리를 두고 배열하여 하나의 셀 모듈(105)를 완성한 길이 방향 상하 절개도를 보여준 것으로, 상기 셀 모듈(105)의 제작을 위해 도 5에서 보는 것과 같은 복수 개의 튜브를 끼워 장착할 수 있는 구멍(5)을 가진 사각형 모양의 지지판(6)이나 1개의 튜브를 끼울 수 있는 구멍(5)을 가진 사각 링(7)을 보조구로 사용하게 되며 상기 사각형 지지판(6)이나 사각 링(7)은 튜브 사이의 틈새에 장착되어 기계적 강도를 높이기 위한 세라믹 보강재(41), 셀집적부(26)와 전기연결층(27, 28) 사이의 열 전달을 차단하기 위한 단열재(42), 수직 통로 좌우에 배치되는 밀봉재(43), 밀봉재의 좌우에 장착되는 밀봉용 세라믹 지지체(44) 및 튜브 양끝의 금속 전기연결용 커플링(45) 재료로 구성되며 필요 시 보강재(41), 단열재(42) 및 밀봉재 지지체(44) 등에는 장착 시 세라믹 접착제 또는 페이스트를 발라서 고정시키게 되고 전기연결용 커플링(45)에는 전도성 금속 페이스트를 바르고 장착하여 튜브와 커플링 사이의 전기연결을 돕게 된다.
도 6은 상기 셀 모듈(105)을 상하로 3개 쌓은 후 다시 좌우로 3개를 배열하여 셀 번들(106)을 완성한 것의 길이 방향 절개도를 나타내며, 3×3개의 셀 모듈을 집적한 후 양끝 안쪽에 전기연결용 타공판(51)을 설치하고 바깥쪽에 연료가스 매니폴드(52, 53)를 장착하고 길이 안쪽으로 압착하여 튜브 양끝에 장착된 전기연결용 커플링(45)과 타공판을 전기적으로 접촉시켜 전기연결을 완성하며, 이를 위해서 보다 바람직하게는 커플링(45)은 링으로 개개의 튜브 끝에 장착되고 튜브 끝 부분을 감싸도록 제작되는 것이 바람직하다. 그 다음 상기 셀 번들을 길이 방향으로 수직으로 세우고 양끝 매니폴드 부분을 밀봉재를 녹을 수 있는 고온으로 가열하여 밀봉재를 액체 상태로 녹이게 되며, 밀봉재는 하단의 지지체(44)에 의해 아래로 새어나가지 않고 고이게 되고 튜브 사이 사이에 퍼지게 되는 방법으로 도 7의 단면도 A-A' 치밀하게 패킹(55)되어 밀봉이 완성된다. 이렇게 밀봉이 완성된 셀 번들은 튜브 양끝 수직 통로를 포함한 좌우 밀봉부에 의해 외부와 단절되는 챔버들(54)이 생기게 되며, 상기 챔버(54)는 튜브 사이 수직 통로를 통한 연료가스의 흐름을 매개해 주게 되며, 구체적인 연료가스 흐름은 셀 번들 상의 연료가스 유입용 매니폴드(52)로 유입되는 탄화수소 함유 가스가 도 6에 나타난 개개의 개질기 튜브(102)의 유입구(10)를 지나 내부 채널(1)을 통과하면서 수소 함유 가스로 개질되어 배출용 수직 통로(11)를 지나 이웃한 셀 튜브(103a)의 유입용 수직 통로(12)를 통해 내부 채널(1)을 거쳐서 반대쪽 배출용 수직 통로(13)로 나가게 되고, 이는 다시 이웃한 셀 튜브(103b)의 유입용 수직 통로(14)로 들어가 내부 채널을 거쳐서 개질기 유입구(10) 반대쪽 배출구(15)로 배출되어 최종적으로 연료가스 배출용 매니폴드(53)를 거쳐서 배출되게 된다. 공기는 도 7의 셀 집적부의 단면도인 B-B'처럼 튜브 길이 방향과 직각으로 개개의 튜브의 틈새 사이(2)로 도면상의 좌우 방향으로 유입 및 배출되게 된다.
도 8은 일 예로 상기 셀 번들(106)을 상하 좌우로 다시 3×3개를 배열하여 하나의 스택 모듈(107)을 구성한 튜브 길이 방향 상하 절개도를 나타내고, 도 9 및 도 10은 도 8의 D-D' 및 E-E' 위치에서의 단면도를 나타낸다. 스택 모듈 상에서 개개의 셀 번들을 쉽게 장입하고 인출하기 위해 도 8에서 중앙에 위치한 핫 박스(62)는 좌우가 벽면이 없는 형태로 제작되어 놓이고 그 좌우 양 옆에 이중 벽으로 제작되고 최소한 좌우 면이 개방된 오픈 박스(61)가 규칙적으로 배열된 랙이 놓여진 후, 오픈 박스 내에는 먼저 바닥에 일정 두께, 바람직하게는 5mm 두께 이하의 단열 판(63)을 중앙의 핫 박스를 가로질러 좌우의 오픈 박스 바닥에 놓되 그 양끝이 핫 박스의 좌우 벽면의 위치 예로 왼쪽은 D-D'에 놓이도록 장착한다. 그 다음 개개의 셀 번들은 한쪽의 오픈 박스(61)를 통해 핫 박스를 지나서 반대편의 오픈 박스(61)에 거치되며, 거치 후 셀 번들(106) 상부와 오픈 박스(61)의 틈새에 단열 판(63)이 핫 박스를 가로질러 추가로 장착되고, 오픈 박스 좌우의 틈새에는 핫 박스(62)로부터의 열 차단을 위한 단열 플러그(64)가 핫 박스 좌우 벽면 위치에 장착되어 핫 박스의 좌우에 새로운 단열 벽이 셀 번들 사이사이 틈새에 생성되고, 마지막으로 좌우 오픈 박스(61) 양끝의 매니폴드(52, 53) 와의 틈새를 사각 링 형태의 세라믹 플러그(65)로 막아 오픈 박스와 매니폴드 사이에 하나의 공기 흐름용 챔버(66)를 확보하여 최종적인 스택 모듈(107)이 완성된다. 상기 단열 판(63)은 핫 박스로부터의 열 차단 기능 이외에도 핫 박스 내에서 셀 번들 간 상하의 틈새를 막아 공기가 셀 번들 사이로 과다하게 흐르는 것을 막는 역할도 수행하며, 상기 단열 판(63) 및 단열 플러그(64)는 열 차단 기능 외에도 연료가스 매니폴드(52, 53)와 오픈 박스(61) 사이의 통전을 막는 전기절연 기능도 수행하며, 상기 공기 챔버(66)로는 냉각 공기를 불어 넣어 셀 번들 내에 장착된 밀봉재가 녹아 새는 것을 막게 된다. 도 10 상의 단면도에서 보는 것처럼 공기 유입 및 배출을 위한 공기 매니폴드(74, 75)는 도 8 상에서 핫 박스의 앞뒤 또는 상하면 한쪽에 장착되는데, 핫 박스 벽면에는 공기 흐름용 구멍들(71)이 존재하여야 하고 바람직하게는 그 옆에 추가로 타공판(73)을 하나 이상 설치하여 핫 박스로부터의 효과적인 열 차단 및 공기 흐름의 분산을 도모하게 된다. 상기 스택 모듈(107) 내 연료가스용 매니폴드는 개개의 셀 번들 매니폴드를 그대로 사용하거나, 보다 바람직하게는 전체를 하나로 통합하여 장착하며 이때는 셀 번들 간 전기적 연결은 병렬 연결이 보다 쉽고 바람직하다.
도 11은 상기 스택 모듈들(107)을 연료가스 매니폴드(52, 53)끼리 2개를 연결하고 이를 다시 공기 매니폴드(74, 75)끼리를 4개 연결하여 2×4=8개의 스택 모듈(107)로 하나의 스택 번들(108)을 구성하는 방법을 보여준다. 매니폴드의 연결 시 반드시 유입용은 유입용끼리, 배출용은 배출용끼리 연결되어야 하며, 공기 매니폴드 경우는 예외로 유입용을 배출용과 연결하여도 무방하나 이 경우도 배출 쪽의 산소 농도가 너무 낮아져 연료전지 반응에 영향을 주지 않는 범위 내에서 가능하다. 매니폴드끼리 연결된 매니폴드 연결 챔버(81, 82, 84, 85)는 배관 설치가 허용하는 범위 내에서 될수록 그 길이를 짧게 하여 전체 시스템의 콤팩트화를 도모하는 것이 바람직하나, 연료가스 매니폴드 연결 챔버의 경우는 2개 이상 연결할 경우에는 중간 위치에 존재하는 연결 매니폴드의 유입용 또는 배출용 중 하나는 튜브 길이보다 길게 하여 개개의 셀 번들의 교체를 위한 장입 또는 인출이 용이하도록 한다. 도 11은 9개의 스택 모듈을 전기적으로 직렬 연결하는 경우의 매니폴드끼리 연결되는 한 예를 보여주며, 연료는 중간의 4개의 연료가스 유입용 매니폴드 연결 챔버(81)로 유입되어 좌우 말단의 배출용 매니폴드 연결 챔버(82)와 말단 배출용 매니폴드(83)로 배출되며, 공기는 중간 첫째와 셋째 줄의 4개의 유입용 매니폴드 연결 챔버(84)로 유입되어 중간 줄의 2개의 배출용 매니폴드 연결 챔버(85)와 말단의 4개의 배출용 매니폴드(86)로 배출된다. 셀 번들 간 전기적 연결은 상기 예에서는 스택 모듈 내 셀 번들 간에는 병렬로 연결되고 스택 모듈 간에는 직렬 연결을 위해 연결되는 스택 모듈 간에는 앞뒤를 전치하여 놓아 반대극이 마주보도록 하고 전기연결재(91)를 사용하여 연결하게 된다.
도 12는 상기 스택 번들(108)을 다시 상하로 3개를 적층하고 전기적으로는 병렬 연결하여 완성한 스택(110)의 일 예에 대한 입체도를 보여주며, 상하 스택 모듈(107) 간 병렬 전기 연결을 위해 스택 모듈의 연료가스 매니폴드(52, 53)는 상하로는 하나로 통합되었고, 공기 매니폴드(74, 75)도 제작 편의를 위해 상하로 통합된 예를 보여준다. 스택 모듈(107) 양끝의 공기 챔버(66)에 유입되어 밀봉재(43) 부분을 식히고 배출되는 공기(68)는 바람직하게는 공기 유입용 매니폴드로 유입되는 공기에 혼입시킨다.
상기 최종적인 스택(110)은 그 크기가 콤팩트하고 원하는 경우 3차원 방향으로 이론상 무한정의 확장이 가능하고, 보다 더 바람직하게는 셀 번들의 교체를 용이하게 하기 위해 연료가스 매니폴드는 2개만 연결하고 공기 매니폴드 방향과 상하 적층 방향으로만 원하는 만큼 확장을 한 대형 스택이 완성되며, 상기 스택은 소형의 셀 튜브를 사용해서도 대형화가 가능하고 셀 튜브 간 전기적 연결은 직렬 및 병렬을 원하는 만큼 조절할 수가 있고 셀 번들 또는 스택 모듈의 교체가 가능한 새롭고도 진보된 고체산화물 연료전지용 스택 및 그 제조 방법을 제공한다.
기존의 연료전지는 대부분 대면적의 단위셀을 수백 장 씩 전기적으로 직렬 연결 적층하여 하나의 스택을 이루며, 따라서 전압은 적층 수의 증가에 의해 그리고 전류는 단위셀의 대면적화에 의한 전통적인 방법으로 이루어져 왔다. 상기와 같은 전통적인 직렬 연결 적층 방식은 하나의 단위셀이 잘못되면 전체가 영향을 받아 제작 상 무 결점의 완벽성을 요구한다. 제조 공정 특성 상 소성의 공정을 많이 거쳐야 하는 고체산화물 연료전지는 1 mm이하의 얇은 두께로 소결 과정을 거쳐서 제작되는 세라믹 단위셀의 대면적화가 어렵고 무 결점의 완벽한 제조가 불가능하여 기술의 완성도가 낮은 상태에 머물고 있다. 따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 일거에 해결할 수 있는 획기적인 고안으로 사료된다.
비교 예로 아래 표 1에 두께 1㎜, 폭 20㎝×길이 20㎝ 크기의 단위 셀 및 두께 4㎜의 금속 가스 채널을 사용하여 200셀을 적층하는 일반 평판형 고체산화물의 경우와, 두께 6㎜, 폭 6㎝×길이 100㎝의 평관형 튜브를 사용하여 35개의 집적 셀이 튜브상에 형성된 셀 튜브를 본 발명의 방법에 의해 모듈화하고 배열하여 제작된 경우의 결과를 비교하여 보았다. 20~40KW급 용량의 스택 모듈을 완성하는 경우에는 본 발명의 부피당 전력밀도가 평판형의 그것과 비슷하지만, MW급의 거대 용량의 스택을 상기 스택 모듈을 물리적으로 반복 배열하여 제작할 때는 본 발명이 평판형에 비해 부피 전력밀도가 2.5배 정도 높게 나오며, 평판형의 경우에는 MW급의 제작이 불가능하다. 더구나 상기 스택 모듈의 제작에 있어서 평판형 고체산화물 연료전지는 모든 단위 셀들이 직렬 연결되어 제작 시 무결점으로 완벽하게 제작되어야 하지만, 본 발명의 단위 셀들은 스택 모듈의 경우 768개의 단위 셀이 전기적으로 병렬 연결되므로 760개 중 76개가 잘못 제작되거나 고장이 나도 90%의 전력이 발생하는 장점이 존재하며 최종 스택에서는 4,608개의 단위 셀이 병렬 연결되어 제작 시 오류나 제작 오차에 의한 스택의 성능 감소 확률이 현저히 줄어들며, 더구나 특정 단위 셀의 고장 시 해당 셀의 셀 번들 또는 스택 모듈을 교체하여 개선이나 수리가 가능하다는 장점을 가진다.
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평판형과 본 발명의 튜브 분할형의 비교
Item Planer type Present Invention


Cell 		Size (cm) 0.5t x 20W x 30L 1 0.6t x 6W x 100L
Effective area (cm 2 ) 19Wx20L= 360 5Wx1.5Lx2
= 15 (2p x 35s) 2
Current (W/cm 2 ) 0.3 at 750 o C 0.2 at 800 o C

Reformer 		Size 0.5t x 20Wx 20L 6W x 100L x 0.5t
Material metal box same as cell tube

Cell module 		arrangement 4 cells + 1 reformer 4 cells + 1 reformer
Size (cm) 2.5t x 20W x 30L 4.0t x 6W x 100L 3
Effective area (cm 2 ) 360 cm 2 60 cm 2 (8p)
No of stacking 4s 35s

Cell
bundle 		Arrangement - 10 cell modules
(3p x 2p)
Size 13.6H x 13.4W x 100L 4
Effective area 360 cm 2 (8x6=48p)


Stack
module 		Arrangement 50 cell modules (50s) 16 cell bundles
(4p x 4p)
Size (cm) 130H x 35W x 45L 5 58.4H x 57.6W x 100L 6
Effective area (cm 2 ) 360cm 2 (1p) 5,760 cm 2 (768p)
No of stacking 200s 35s
Capacity 22KW 7 (107 mW/cm 3 ) 40KW 7 (118 mW/cm 3 )

Stack bundle 		Arrangement 4 stack modules (2p x 2p) 4 stack modules (2p x 2p)
Size 150H x 90W x 110L 58H x 200W x 240L
Effective area (cm 2 ) 1,440 cm 2 (4p) 34,560 cm 2 (4,608p)

Final
Stack 		Arrangement 4 stack bundles (2p x 2p) 4 stack bundles (4s)
Size (cm) 150H x 240W x 280L 8 236H x 200W x 240L 9
Effective area (cm 2 ) 5,760 cm 2 (4p) 34,560 cm 2 (4,608p)
Capacity 350KW 1,000 KW
Volume density 34.7 mW/cm 3 88.3 mW/cm 3
1. Include both MEA (0.1t) + bipolar plate with gas channel (0.4t)
2. Electrical connection: 2 cells in parallel (upper and bottom plate) x 35 cells in series
3. The distance between tubes is kept at 2.0 mm.
4. The wall thickness of the fuel gas manifold is assumed to be 5.0 mm.
5. The thickness sum of both the inlet and outlet of the fuel or air manifold is considered to be 15 cm
6. The distance between cell bundles is kept at 1.0 cm.
7. Assumed that the unit cell be operated at 0.6V
8 The distance between the stack bundle is considered to be 60 cm for pipe line connections and arrangements.
9. 4 stack bundles were filed vertically with 1 cm distance.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1. 튜브 내부의 연료가스 흐름용 채널
2. 튜브 사이 공기 흐름용 채널
3. 튜브 내부 채널에 장착된 개질 촉매
4. 개질기 제작용 지지체의 내외부면에 피복된 세라믹 치밀막층
5. 평관형 개질기 튜브 또는 셀 튜브들이 끼워져 고정되는 홀(hole)
6. 평관형의 개질기 및 분할형 셀을 복수 개 장착하기 위한 사각형의 지지판
7. 개질기 또는 분할형 셀을 1개 장착하기 위한 사각형의 링
10. 탄화수소 함유 연료가스 유입구
11. 개질가스의 개질기 출구용 내부 채널과 연결된 수직 통로
12. 개질가스의 셀 튜브 유입용 수직 통로
13. 1차 반응가스 셀 튜브 배출용 수직 통로
14. 2차 반응가스 셀 튜브 유입용 수직통로
15. 폐 연료가스 배출용 내부 채널
21. 개질기 튜브의 내부 채널을 막기 위한 세라믹 플러그
22. 단위 셀에 피복된 연료극 (음극)층
23. 단위 셀에 피복된 전해질층
24. 단위 셀에 피복된 전기연결재층
25. 단위 셀에 피복된 공기극 (양극)층
26. 셀 튜브 내 단위 셀 집적부
27. 셀 튜브 왼쪽 말단부의 음극층 전기연결부
28. 셀 튜브 오른쪽 말단부의 양극층 전기연결부
31. 지지체 내 요철부를 형성시키기 위해 1차로 연삭되는 부분
32. 연료극층 피복 후 일정 부분의 음극층을 제거하기 위해 2차로 연삭되는 부분
33. 전해질 피복 후 전기연결재 층 피복 부분을 생성시키기 위해 3차로 연삭되는 부분
41. 전해질층에 위치하는 세라믹 재료의 사각형 링 또는 사각형 지지판
42. 열 차단용 재료의 사각형 링 또는 사각형 지지판
43. 밀봉재 재료의 사각형 링 또는 사각형 지지판
44. 밀봉재 지지용 세라믹 재료의 사각형 링 또는 사각형 지지판
45. 튜브 말단 전극으로부터 전기를 집전하기 위한 전기연결용 사각형 링 또는 사각형 지지판
51. 연료가스 매니폴드에 연결된 전기집전용 타공판
52. 연료가스 유입용 매니폴드
53. 연료가스 배출용 매니폴드
54. 연료가스 흐름 연결용 챔버
55. 셀 모듈 단면상에서의 튜브 사이사이 밀봉재가 녹아 밀봉된 밀봉재 패킹부
56. 연료가스 매니폴드 사이의 충진용 세라믹판
61. 연료가스 매니폴드 거치용 오픈 박스
62. 핫 박스
63. 오픈 박스 상하면에 핫 박스를 가로질러 설치되는 단열재판
64. 오픈 박스 좌우면에 핫 박스 벽면까지 삽입되는 단열재 플러그
65. 오픈 박스 바깥쪽과 매니폴드 사이를 막는 사각 세라믹 링
66. 매니폴드 냉각용 공기 챔버
67. 공기 챔버 내 유입되는 냉각용 공기 유입관
68. 공기 챔버로부터 배출되는 공기 배출관
69. 핫 박스 보호용 철판
71.핫 박스 공기 유입 및 배출용 타공 벽면
73.공기 분산 및 열 차단용 타공판.
74. 공기 유입용 매니폴드
75. 공기 배출용 매니폴드
81. 연료가스 유입용 매니폴드끼리 통합시킨 연료가스 유입용 연결 챔버
82. 연료가스 배출용 매니폴드끼리 통합시킨 연료가스 배출용 연결 챔버
83. 연료가스 배출용 말단 매니폴드
84. 공기 유입용 매니폴드끼리 통합시킨 공기 유입용 연결 챔버
85. 공기 배출용 매니폴드끼리 통합시킨 공기 배출용 연결 챔버
86. 연료가스 배출용 말단 매니폴드
91. 전기연결을 위한 전기연결용 선
101. 튜브형 지지체
102. 지지체를 이용해 제작된 내부 개질기 튜브
103. 지지체를 이용해 제작된 분할형 셀 튜브
104a. 지지체 1차 연삭 및 연료극층 피복
104b. 2차 연삭에 의한 연료극층 분할
104c. 전해질층 전 부위 피복
104d. 3차 연삭에 의한 전해질층 분할
104e. 3차 연삭부 전기연결재층 피복
104f. 양극층 후막 피복
105. 셀 모듈
106. 셀 번들
107. 스택 모듈
108. 스택 번들
110. 스택

Claims (40)

  1. 내부 개질형 고체산화물 연료전지용 스택에 있어서, 상기 스택은 외면에 내부 채널과 연통되는 적어도 하나의 제1개구가 형성된 튜브형 개질기와 외면에 내부 채널과 연통되는 적어도 하나의 제2개구가 형성되고 단위 셀들이 직렬로 연결된 반응부가 형성된 적어도 하나의 튜브형 반응기를 포함하며, 상기 튜브형 반응기 외면으로는 공기 유로가 형성되고, 상기 제1개구와 제2개구가 연결되어 상기 개질기에서 개질된 가스가 상기 반응기 내부로 유입되는 셀 모듈을 집적한 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  2. 제1항에 있어서, 상기 튜브형 개질기와 튜브형 반응기는 이격 부재로 이격되어 적층되며, 상기 제1개구와 제2개구는 상기 이격 부재 사이에 형성된 유로를 통해 연통되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  3. 제1항에 있어서, 상기 셀 모듈은 튜브형 개질기와 튜브형 반응기가 평행하게 적층되고, 제1개구와 제2개구가 연결된 수직 채널이 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  4. 제1항에 있어서, 상기 튜브형 개질기는 양측 입구 중 일측이 막혀있고, 상기 제1개구는 막힌 쪽에 형성되며, 상기 튜브형 반응기는 양측 입구 중 적어도 일측이 막혀있고, 상기 제2개구는 막힌 쪽에 형성된 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 스택.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단위 셀 구성 요소인 음극층, 전해질층, 양극층이 적어도 지지체 상의 파내어진 홈에 피복되어 상단부의 양극층을 두껍게 피복할 수가 있고, 단위 셀 사이 양극과 음극을 서로 연결하는 전기연결재층이 박막의 수직방향으로 전기가 흐르도록 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반응부는 단위 셀들이 돌출부 사이 홈에 반복적으로 형성되고, 홈과 돌출부 사이 한쪽 수직면은 전기연결재층이 이웃한 좌우 단위 셀들의 전해질층과 중첩되도록 피복되고 상기 전기연결재층의 한 면에 단위 셀 내 음극층이 돌출부까지 연장되어 직각으로 연결되고 이웃한 단위 셀의 양극층이 반대면에 직각으로 연결된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반응부는 튜브형 반응기의 외면 중앙부에 형성되고, 반응부 좌우 말단의 음극 및 양극에는 전기연결재가 연결되어 튜브 말단까지 피복된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  8. 제1항에 있어서, 상기 튜브형 반응기의 외면 양측 말단 전기연결재층에 링 형태의 전기연결재가 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  9. 제1항에 있어서, 상기 셀 모듈 복수 개를 집적하여 튜브형 개질기의 입구 쪽에 연료가스 유입용 매니폴드가 튜브형 반응기 출구에 반응가스 배출용 매니폴드가 결합된 셀 번들을 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  10. 제9항에 있어서, 상기 셀 번들들이 평행하게 배치되고 튜브 사이 반응부의 공기 유로 부분에 공기 매니폴드가 형성된 스택 모듈을 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  11. 내부에 길이 방향으로 1개 이상의 연료가스 채널을 가지는 다공성의 튜브형 지지체를 형성하고, 상기 지지체의 내부 채널 한쪽 끝을 막고 그 옆에 내부 채널에서 튜브 밖으로 관통되는 수직 통로를 생성하고 내외부면에 치밀막의 세라믹층을 형성한 후, 내부 채널 내에 개질 촉매를 장착하여 개질기 튜브를 완성하는 단계;
    상기 튜브형 지지체 외부면 중앙에 길이 방향으로 단위 셀들이 분할되어 반복적으로 형성되고, 단위 셀의 반대극끼리 전기적으로 직렬 연결되고, 양측 말단의 단위 셀들은 양극 및 음극을 전기연결재와 연결하여 튜브 끝까지 연장 피복되고, 내부 채널은 적어도 한쪽이 막혀 있고 그 옆에 내부 채널에서 튜브 밖으로 관통되는 수직 통로가 형성된 분할형 셀 튜브를 제조하는 단계; 및
    상기 개질기 튜브 1개당 상하 또는 상하좌우로 짝수 개의 셀 튜브를 사용 집적하여 셀 모듈을 완성하는 단계로서, 상기 셀 집적부 상의 일부 전해질층 상에 세라믹 재료로 된 이격 부재가 삽입되고, 말단 단위 셀 옆에는 단열재가 삽입되고, 수직 통로 좌우의 위치에는 세라믹, 밀봉재, 세라믹의 3개 조합으로 된 밀봉형 이격 부재가 삽입되고, 튜브 양끝에는 금속의 전기연결재가 삽입되는 단계;
    를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 셀 모듈을 다시 상하좌우로 복수 개 밀착 배열하여 셀 번들을 완성하고 상기 셀 번들 양끝에 연료가스의 유입용 및 반응가스 배출용 매니폴드를 장착하고 튜브 끝의 전기연결재에 연결되게 하는 단계; 및
    상기 밀봉재를 용융시켜 수직 통로를 포함한 좌우 밀봉재 부분 사이에 연료가스 흐름용 연결 챔버가 생성되도록 하여 셀 번들을 완성하는 단계;
    를 더 포함하는 고체산화물 연료전지용 스택 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 단위 셀 번들 복수 개를 서로 전기적 접촉이 되지 않게 일정한 거리를 두고 상하 좌우로 배열하여 스택 모듈을 제조하고, 상기 스택 모듈의 중앙 반응부는 핫 박스(hot box) 내에 장착하고 양끝 연료가스 매니폴드들은 핫 박스 밖의 랙(rack) 상에 거치하여 스택 모듈을 완성하는 단계; 및
    상기 스택 모듈 복수 개를 핫 박스 상의 공기 매니폴드끼리 연결하고 이를 다시 튜브 끝 상의 연료가스 매니폴드끼리 연결하여 2차원적으로 크기가 확장되는 스택 번들을 완성하는 단계; 및
    상기 스택 번들을 다시 상하로 밀착 배열하여 3차원적으로 크기가 확장될 수 있는 스택을 완성하는 단계;
    를 더 포함하는 고체산화물 연료전지용 스택 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 다공성 지지체를 사용하여 제작되는 개질기의 내외부 면에 피복되는 세라믹 재료는 탄화수소의 개질반응에 활성이 없어야 하고, 지지체의 소결 온도 이하에서 소결하여 치밀막을 형성하거나, 또는 지지체가 아예 기공이 없도록 제작되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제조 방법.
  15. 제11항 또는 제12항에 있어서, 개질기 내부에는 촉매가 피복 장착되고, 반응기 길이 방향으로 촉매 조성이나 량이 변하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제조 방법.
  16. 제11항에 있어서, 단위 셀이 집적된 반응부는 반응기 튜브 외면 중앙부에 길이 방향으로 다수의 홈을 간격을 두고 일정한 깊이와 넓이로 연삭하여 형성한 후, 외면에 음극층을 피복하고 연삭하여 음극층 일부를 벗겨내고, 전해질층을 피복하고 추가 연삭하여 전해질층 일부를 음극층이 노출되도록 연삭하고, 여기에 다시 전기연결재층을 피복하고 홈에 피복된 양극층과 최종 연결이 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제조 방법.
  17. 제11항 또는 제16항에 있어서, 지지체는 성형 또는 피복 후 가 소결 시 최종 치밀막 소결 온도보다 200 ∼ 500℃ 낮은 온도에서 소결되어져 연삭이 쉽게 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 단위 셀 형성부 홈의 길이는 5 ∼ 50 mm, 깊이는 0.1 ∼ 5 mm, 홈 사이의 간격은 10 mm 이하로 형성하는 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제조 방법.
  19. 제16항에 있어서, 1차 연삭 후 중앙 셀집적부 전 부위에 음극층을 충분히 두껍게 피복하고 가 소결과정을 거친 후, 1차에서 연삭되지 않은 부위의 일부분을 2차로 연삭하여 음극층 일부를 제거하고, 다시 전 부위에 전해질층을 피복하고 가 소결 한 후, 지금까지 연삭되지 않은 옆부분의 일부분을 추가로 3차로 연삭하여 음극층 및 지지체가 길이 수직 면으로 노출되게 하고 이 부위에 전기연결재층을 피복하고 전해질과 함께 치밀막으로 형성되는 고온에서 소결 한 후, 마지막으로 1차 연삭부인 함몰된 부분에 양극재료를 옆의 전기연결재층에 연결이 되도록 충분히 충진하고 소결하여, 최종적으로 단위 셀들이 직렬 연결된 집적부를 완성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제조 방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 음극층은 음극층보다 전도성이 높은 기능성층을 먼저 피복하고 그 위에 피복됨으로써 음극층의 전기저항을 줄이는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제조 방법.
  21. 외면에 내부채널과 연통되는 적어도 하나의 제1개구가 형성된 튜브형 개질기와 외면에 내부채널과 연통되는 적어도 하나의 제2개구가 형성된 튜브형 반응기 짝수 개를 포함하며, 상기 튜브형 반응기 외면으로 공기 유로가 형성되고, 상기 제1개구와 제2개구 사이 또는 제2개구 사이가 연결되어 상기 개질기에서 개질된 가스가 상기 반응기 내부로 유입되고 배출되는 고체산화물 연료전지용 셀모듈.
  22. 제21항에 있어서, 상기 셀모듈은 튜브형 개질기와 튜브형 반응기들이 평행하게 적층되고, 제1개구와 제2개구 사이와 제2개구 사이가 연결된 수직채널이 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀모듈.
  23. 제21항에 있어서, 상기 튜브형 개질기와 튜브형 반응기는 이격부재로 이격되어 적층되며, 상기 제1개구와 제2개구는 이격 부재 사이에 형성된 통로를 통해서 연결되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀모듈.
  24. 관형 지지체 표면에 길이 방향을 따라 일정 간격으로 양극, 전해질, 음극으로 이루어진 단위셀이 전기연결재로 직렬 연결된 반응부가 형성되고, 상기 단위셀은 양극층이 지지체 외부면에 파내어진 홈에 장착되어 두껍고, 전기연결재는 박막의 수직방향으로 전기가 흐르는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 튜브형 반응기.
  25. 제24항에 있어서, 상기 반응부는 표면에 음극층, 전해질층, 양극층이 연접하여 반복적으로 형성되고, 상기 전해질의 상부에는 적어도 일부에 양극층이 형성되며 하부에는 적어도 일부에 음극층이 형성되어 단위 셀을 이루며, 상기 양극층의 일부는 전기연결재층에 수직으로 연결되고, 상기 음극층이 다른 단위 셀의 전기연결재층에 수직으로 연결된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 튜브형 반응기.
  26. 제24항에 있어서, 상기 반응부는 튜브형 반응기의 외면 중앙부에 형성되고, 반응기 외면 양측에는 전기연결재가 형성되어, 반응부 좌우 말단의 음극 및 양극에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 튜브형 반응기.
  27. 지지체 표면에 형성된 다수의 홈; 상기 홈의 하부와 홈의 일측에 차례로 형성된 음극층과 전해질층; 상기 홈의 타측에 형성된 전기연결재층; 및 상기 홈에 형성된 양극층;을 포함하고, 상기 음극층은 타측의 전기연결재층과 이격되며, 다른 홈의 전기연결재에 연결되어 전기적으로 직렬로 연결되는 반응부가 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  28. 제27항에 있어서, 상기 음극층 및 전해질층은 홈사이의 돌출부 위로 연장되어, 다른 단위셀의 양극층과 연결된 전기연결재와 연결되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  29. 제27항에 있어서, 상기 홈의 깊이는 홈 하부에 피복된 음극층의 두께보다 크고, 상기 홈 일측에 피복된 전기연결재의 피복 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  30. 제27항에 있어서, 상기 지지체는 다공성 지지체이며, 지지체 내부에 제1가스 채널이 형성되고, 외면에 제2가스 채널이 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  31. 제27항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지체 표면은 음극층, 전해질층, 양극층 및 전기연결재가 반복되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  32. 내부에 길이 방향으로 1개 이상의 내부 채널을 가지는 다공성의 튜브형 지지체의 내부 채널 한쪽 끝이 막혀 있고, 그 옆에 내부 채널에서 튜브 밖으로 관통되는 수직 통로가 형성되고, 내외부면에 치밀막의 세라믹층이 형성되며, 내부 채널 내에 개질 촉매가 장착된 개질기 튜브와,
    내부에 길이 방향으로 1개 이상의 내부 채널을 가지는 다공성의 튜브형 지지체의 외부면 중앙에 셀 집적부가 형성되고, 셀 집적부에는 길이 방향으로 단위 셀들이 분할되어 반복적으로 형성되고 단위 셀의 반대극끼리 전기적으로 직렬 연결되며, 양끝 양극 말단부 및 음극 말단부는 좌우 말단 단위 셀의 양극 및 음극을 전기연결재와 연결하여 튜브 끝까지 연장 피복되어지며, 상기 지지체는 내부 채널의 한쪽 또는 양쪽 끝이 막혀 있고, 그 옆에 내부 채널에서 튜브 밖으로 관통되는 수직 통로가 형성된 적어도 하나의 셀 집적부를 포함하는 반응기 튜브로 이루어지며,
    상기 개질기 튜브 1개당 상하 또는 상하좌우로 짝수 개씩의 반응기 튜브가, 복수 개의 튜브 거치용 구멍을 가지는 사각 형태의 지지판에 끼워지거나 또는 각각의 튜브에 튜브 장착용 사각 링이 끼워져 밀착 배열된 셀 모듈이 형성되고,
    여기서, 셀 집적부 상의 일부 전해질층 상에는 세라믹 재료로 된 지지판 또는 링이 삽입되고, 좌우 말단 단위 셀 옆에는 단열재가 삽입되고, 수직 통로 좌우의 위치에는 세라믹, 밀봉재, 세라믹의 3개 조합이 삽입되며, 튜브 양끝에 금속의 전기연결재가 삽입되고, 상기 밀봉재 부분 사이에 연료가스 흐름용 통로가 형성된 셀 모듈들이 제작되고,
    상기 셀 모듈들을 상하좌우로 복수 개 밀착 배열하고 양끝에 연료가스의 유입용 및 배출용 매니폴드가 튜브 끝의 전기연결재에 연결되도록 장착되어 셀 번들들이 제작되고,
    상기 셀 번들은 복수 개를 서로 전기적 접촉이 되지 않게 일정한 거리를 두고 상하 좌우로 배열하여 스택 모듈을 형성하고, 여기서 스택 모듈의 중앙 반응부는 핫 박스 내부에 장착되고 양끝 연료가스 매니폴드는 핫 박스 외부 랙 상에 장착된 스택 모듈들이 제작되고,
    상기 스택 모듈들이 핫 박스 상의 공기 매니폴드끼리 연결되고, 다시 튜브 끝 상의 연료가스 매니폴드끼리 연결된 스택 번들을 형성하고, 상기 스택 번들이 상하로 밀착 배열되어 스택이 제작되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  33. 제32항에 있어서, 상기 개질기 튜브의 상하 또는 상하좌우로 짝수 개씩의 반응기 튜브를 배열할 때 개질기 튜브 이웃에 배열되는 반응기 튜브는 양끝에 수직 통로가 생성된 것을 배열하고 그 다음 것은 한쪽 끝에만 수직 통로가 생성된 것을 배열하여, 셀 모듈 내로 유입되는 탄화수소 함유 가스가 개질기 내부 채널의 유입구로 유입되어 촉매 상에서 수소 함유 가스로 개질된 후 배출용 수직 통로를 통해 연결 챔버로 배출되고 다시 이웃한 셀 튜브들의 유입용 수직 통로를 통하여 내부 채널로 유입되어 반대쪽 배출용 수직 통로로 배출되고 다시 그 다음 셀 튜브의 유입용 수직 통로를 경유하는 방향으로 내부 채널 상에서 지그재그로 흘러 최종적으로 개질기 유입구 반대쪽으로 배출되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  34. 제33항에 있어서, 수직 통로 좌우에 장착되는 세라믹 재료로 된 사각 지지판 또는 사각 링을 튜브에 끼우거나 복수 개를 밀착 배열할 때 틈새에 세라믹 페이스트나 접착제를 충분히 발라서, 나중 셀 번들을 수직으로 세우고 밀봉재를 녹여서 밀봉할 때 하부의 세라믹 지지판 또는 링과 튜브 사이 틈새로 밀봉재가 새어나가는 것을 방지하도록 하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  35. 제33항에 있어서, 상기 셀 번들의 양끝에 장착되는 연료가스 매니폴드와 개개의 튜브 끝의 전기연결재 사이의 전기 접촉을 개선하기 위해, 사각 지지판 또는 사각 링의 구멍은 튜브 장착 전 전도성의 금속 페이스트를 튜브에 도포하여 장착하고 매니폴드 내부에 집전용 타공판을 길이 방향의 수직으로 설치하여 사각 지지판 또는 사각 링과 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  36. 제34항에 있어서, 세라믹 페이스트 또는 접착제는 세라믹 또는 클레이(clay)로 된 부도체 재료를 물리적으로 성형하여 부착 또는 도포시킬 수 있는 재료로 구성되고, 밀봉재는 유리(glass) 및 유리를 포함하고 녹는점이 500~900℃ 사이인 특성을 가지는 재료로 구성되며, 금속재 페이스트는 건조 및 소결 후 수축되지 않고 전기적인 연결을 달성할 수 있는 고전도성의 성질을 가지는 재료인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  37. 제32항에 있어서, 상기 스택 모듈의 중앙에 장착되는 핫 박스는 튜브 길이 방향으로는 좌우 벽면이 없는 개방된 상태로 제작되고 길이의 수직 방향 한쪽에는 공기 유입 및 배출용 매니폴드가 장착되며, 유입용 매니폴드로 유입된 공기는 스택 모듈 내 개개의 튜브 상의 단위 셀 집적부를 지나 배출용 매니폴드로 배출되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  38. 제32항에 있어서, 공기 유입용 및 배출용 매니폴드가 장착되는 핫 박스 벽면은 핫 박스로부터의 열 차단 및 공기 흐름의 분산을 위해 매니폴드 내부에 타공판이 1개 이상 장착되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  39. 제32항에 있어서, 셀 번들의 연료가스 매니폴드는 랙 상에 최소한 셀 번들 튜브 길이 방향의 좌우면이 개방되고 연료가스 매니폴드보다는 길이가 짧은 오픈 박스(open box)가 규칙적으로 배열되어 개개의 셀 번들이 한쪽의 오픈 박스를 통해서 핫 박스를 가로질러 반대쪽의 오픈 박스에 거치되어 안장되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  40. 제39항에 있어서, 랙과 오픈 박스 사이에 유체 흐름용 챔버가 조성되고, 상기 챔버에는 냉각용 공기를 불어 넣어 연료가스 매니폴드 내부의 밀봉재가 용융점 이하로 유지되어 밀봉이 유지되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
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