KR101273360B1 - Fuel Cell Unit-Cell Module - Google Patents

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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 연료전지의 단위전지 모듈 및 이를 포함하여 구성되는 고체산화물 연료전지에 대한 것으로, 본 발명에 따른 연료전지의 단위전지 모듈은, 연료가스가 이동하는 2개 이상의 가스채널이 형성된 단위전지와 양면에 각각 형성되는 공기극 및 인터커넥터를 포함하는 상기 단위전지; 일단에 공급관이 연결 부착되고 그 반대쪽에 출구가 형성되며 상기 출구는 상기 단위전지의 일 단부와 결합되고, 상기 단위전지의 일 단부로 공급되는 연료가스의 유량을 균일화하여 상기 2개 이상의 가스채널로 전달하는 입구 매니폴드; 및 일단에 배출관이 연결 부착되고 그 반대쪽에 입구가 형성되며, 상기 입구를 통하여 단위전지로부터 배출되는 가스를 상기 배출관으로 전달하는 출구 매니폴드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 연료전지의 단위전지 모듈 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지에 따르면, 다공성 매질을 이용하여 공급관으로부터 단위전지의 연료극에 형성된 2개 이상의 가스채널로 연료가스가 균일하게 공급되도록 함으로써 출력 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 본 발명은 다양한 구조를 갖는 고체산화물 연료전지에 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 가스채널을 통해 연료가스가 공급되는 구조를 갖는 다른 종류의 연료전지에도 널리 활용될 수 있다.The present invention relates to a unit cell module of a fuel cell and a solid oxide fuel cell including the same. The unit cell module of a fuel cell according to the present invention includes: a unit cell having two or more gas channels through which fuel gas is moved; The unit cell including air electrodes and interconnectors respectively formed on both surfaces; A supply pipe is connected at one end and an outlet is formed at an opposite side thereof. The outlet is coupled to one end of the unit cell, and the flow rate of fuel gas supplied to one end of the unit cell is equalized to the two or more gas channels. An inlet manifold for conveying; And an outlet manifold connected to one end of the discharge pipe and having an inlet formed on the opposite side thereof, and configured to transfer the gas discharged from the unit cell to the discharge pipe through the inlet.
According to the unit cell module of the fuel cell of the present invention and a solid oxide fuel cell including the same, output efficiency is improved by uniformly supplying fuel gas to two or more gas channels formed in the anode of the unit cell by using a porous medium. There is an advantage that can be improved. The present invention can be used not only for solid oxide fuel cells having various structures, but also for other types of fuel cells having a structure in which fuel gas is supplied through a plurality of gas channels.

Description

연료전지의 단위전지 모듈 {Fuel Cell Unit-Cell Module}Fuel cell unit cell module {Fuel Cell Unit-Cell Module}

본 발명은 연료전지의 단위전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고체산화물 연료전지에 있어서 매니폴드에 다공성 매질을 설치하여 단위전지의 연료극에 형성된 2개 이상의 가스채널들로 균등한 유량으로 연료가스를 공급할 수 있도록 개선한 연료전지의 단위전지 모듈 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a unit cell module of a fuel cell, and more particularly, in a solid oxide fuel cell, a fuel gas at an equal flow rate to two or more gas channels formed at a cathode of a unit cell by installing a porous medium in a manifold. The present invention relates to a unit cell module of a fuel cell improved to supply a solid oxide fuel cell including the same.

연료전지는 천연가스, 석탄가스, 메탄올 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학 반응에 의해서 직접 전기에너지로 변환시키는 고효율의 청정 발전 기술로서, 연료전지는 원하는 전기 출력을 얻기 위한 용량을 갖도록 통상적으로 연료전지의 단위전지를 수십 장 또는 수백 장씩 직렬로 쌓아 올리도록 구성되며, 연료전지는 양극과 음극의 전극을 통해서 발생한 전기가 출력되는 구조를 갖는다. Fuel cell is a high-efficiency clean power generation technology that converts hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as natural gas, coal gas and methanol into electrical energy directly by electrochemical reaction. In order to have a capacity for obtaining, the fuel cell is typically configured to stack tens or hundreds of unit cells of a fuel cell in series, and the fuel cell has a structure in which electricity generated through the electrodes of the anode and the cathode is output.

연료전지는 연료가스가 산화되는 양극 및 산화제가 환원되는 음극, 그리고 이온이 이동하는 전해질로 구성되며, 양극 및 음극에서 산화/환원 반응을 통해 전기를 발생시킨다. 연료가스의 연속적인 공급은 연료전지의 연속적인 반응을 유도하기 위한 것이며, 연료전지는 반응 생성물을 연속적으로 외부로 제거하는 구성을 갖는다.The fuel cell is composed of a cathode in which the fuel gas is oxidized, a cathode in which the oxidant is reduced, and an electrolyte in which ions move. The fuel cell generates electricity through an oxidation / reduction reaction at the anode and the cathode. The continuous supply of fuel gas is intended to induce a continuous reaction of the fuel cell, and the fuel cell is configured to continuously remove the reaction product to the outside.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 알칼리형, 인산형, 용융탄산염, 고체산화물 및 고분자 연료전지로 분류되는데, 그 중 고체산화물 연료전지는 뒤늦게 개발이 시작되었으나, 급속한 재료기술의 발달로 가까운 시일 내에 실용화에 이를 전망이며, 이를 위하여 선진국에서는 기초연구 및 대형화 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.Fuel cells are classified into alkali type, phosphate type, molten carbonate, solid oxide, and polymer fuel cells according to the type of electrolyte used. Among them, solid oxide fuel cells have been developed late, but due to rapid development of materials technology It is expected to be put to practical use in the near future. To this end, developed countries are putting much effort into basic research and large-scale technology development.

고체산화물 연료전지는 600∼1000 ℃ 정도의 고온에서 작동되는 연료전지로서, 종래 여러 형태의 연료전지들 중 가장 효율이 높고 공해가 적을 뿐 아니라, 연료 개질기를 필요로 하지 않고 복합발전이 가능하다는 여러 장점을 지니고 있다.A solid oxide fuel cell is a fuel cell that operates at a high temperature of about 600 to 1000 ° C., which is the most efficient and low pollution among various types of fuel cells, and that multiple generations are possible without requiring a fuel reformer. It has advantages.

상술한 고체산화물 연료전지에 있어서, 단위전지(10)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 연료가스가 공급되는 가스채널(16)들이 형성된 연료극 지지체, 이온의 이동을 위하여 연료극 지지체 위에 코팅 형성된 전해질층(11), 산소(일반적으로 공기 중의 산소)의 산화반응이 일어나는 공기극(12), 수소의 환원반응에 의하여 발생된 전기를 전달하기 위한 인터코넥터(14)로 구성된다.In the above-described solid oxide fuel cell, the unit cell 10 is formed on the anode support having the gas channels 16 to which the fuel gas is supplied as shown in FIGS. 1 and 2, and coated on the anode support for movement of ions. The electrolyte layer 11, the cathode 12 in which the oxidation reaction of oxygen (generally oxygen in the air) takes place, and the interconnector 14 for transferring electricity generated by the reduction reaction of hydrogen.

상술한 고체산화물 연료전지의 단위전지 모듈은 도 3에 도시된 바와 같이 연료가스의 공급 및 배출을 위하여 셀의 양단에 입구 매니폴드(20)와 출구 매니폴드(22)가 설치되며, 입구 매니폴드(20)에는 연료가스가 공급되는 공급관(21)이 연결 부착되고 출구 매니폴드(22)에는 연료가스가 배출되는 배출관(23)이 연결 부착된다.In the unit cell module of the solid oxide fuel cell described above, an inlet manifold 20 and an outlet manifold 22 are installed at both ends of a cell for supplying and discharging fuel gas, as shown in FIG. 3. The supply pipe 21 through which the fuel gas is supplied is connected to 20, and the discharge pipe 23 through which the fuel gas is discharged is connected to the outlet manifold 22.

그리고, 입구 매니폴드(20)(또는 출구 매니폴드(22))는 도 4 및 도 5와 같이 그 일단에 공급관(21)(또는 배출관(23))이 연결 부착되고 반대 편 끝단과의 사이에 내부 공간이 형성되어 있으며, 그 내부 공간에는 단위전지(10)의 단부가 삽입되는 공간(24)과 완충 공간(26)이 형성될 수 있다.In addition, the inlet manifold 20 (or the outlet manifold 22) has a supply pipe 21 (or a discharge pipe 23) connected to one end thereof as shown in FIGS. 4 and 5, and between the opposite ends thereof. An internal space is formed, and a space 24 and a buffer space 26 into which an end portion of the unit cell 10 is inserted may be formed in the internal space.

도 4는 입구 매니폴드(20)(또는 출구 매니폴드(22))의 평면도이고, 도 5는 입구 매니폴드(20)(또는 출구 매니폴드(22))의 정면도이다.4 is a plan view of the inlet manifold 20 (or outlet manifold 22), and FIG. 5 is a front view of the inlet manifold 20 (or outlet manifold 22).

이와 같은 구성의 입구 매니폴드(20)는 고속의 연료가스가 공급관(21)을 통해 유입되므로 단위전지(10)의 중앙에 위치하는 가스채널(16)로는 빠른 속도로 가스가 유입되나, 좌우측에 있는 가스채널(16)로는 상대적으로 느린 속도로 가스가 유입되게 된다. 결국, 도 3에서와 같이 입구 매니폴드(20)와 연결 부착되는 단위전지(10)의 가스채널(16)들로 연료가스의 공급이 균등하게 이루어지지 않게 된다.In the inlet manifold 20 of the above configuration, since the high-speed fuel gas flows through the supply pipe 21, the gas flows into the gas channel 16 located in the center of the unit cell 10 at a high speed. Gas flows into the gas channel 16 at a relatively slow speed. As a result, as shown in FIG. 3, the fuel gas is not evenly supplied to the gas channels 16 of the unit cell 10 connected to the inlet manifold 20.

도 6는 종래의 입구 매니폴드(20)에서 연료가스의 유속 분포를 수치 해석한 그래프이다. 6 is a graph of numerical analysis of the flow rate distribution of fuel gas in the conventional inlet manifold 20.

도 6을 통해, 입구 매니폴드(20) 내의 y=0인 위치(본 발명에 따른 다공성 매질이 설치될 위치)부터 약 y=4cm 위치 범위 내에 있는 가스채널(16)들로 유입되는 연료가스는 각 위치 별로 유속이 불균일하게 분포됨을 알 수 있다. 도 6에서 y값은 다공성 매질이 설치될 가상의 위치로부터의 거리를, 세로축은 유속을, 가로축은 공급관(21)의 중심축 선상을 기준으로 한 좌우의 거리를 나타낸다.Through FIG. 6, the fuel gas flowing into the gas channels 16 in the range of about y = 4 cm from the position y = 0 in the inlet manifold 20 (where the porous medium according to the invention is to be installed) is It can be seen that the flow velocity is unevenly distributed at each position. In FIG. 6, the y value represents the distance from the imaginary position where the porous medium is to be installed, the vertical axis represents the flow velocity, and the horizontal axis represents the distance to the left and right on the line of the central axis of the supply pipe 21.

결국, 종래의 입구 매니폴드(20)에서는 구조적으로 단위전지(10)의 각 가스채널(16)들로 연료가스가 불균일하게 공급되게 된다. 연료전지의 단위전지 모듈은 단위전지(10)의 가스채널(16)들로 연료가스가 균일하게 공급될 때 최대의 전력 효율을 가질 수 있는데, 종래의 연료전지의 단위전지 모듈에서는 연료가스가 가스채널(16)들로 불균일하게 공급됨에 따라서 상대적으로 전력 효율이 떨어지는 문제점을 갖는다.As a result, in the conventional inlet manifold 20, fuel gas is non-uniformly supplied to each gas channel 16 of the unit cell 10 structurally. The unit cell module of the fuel cell may have maximum power efficiency when the fuel gas is uniformly supplied to the gas channels 16 of the unit cell 10. In the unit cell module of the conventional fuel cell, the fuel gas is gas As it is supplied unevenly to the channels 16, there is a problem of relatively low power efficiency.

따라서, 높은 출력을 갖는 연료전지의 단위전지 모듈을 구현하기 위하여 연료가스가 다수의 가스채널(16)들로 균일하게 공급될 수 있는 구조의 개발이 절실히 요구된다.
Therefore, in order to implement a unit cell module of a fuel cell having a high output, the development of a structure in which fuel gas can be uniformly supplied to the plurality of gas channels 16 is urgently required.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 연료전지의 단위전지 모듈 내부로 공급되는 연료가스를 다공성 매질을 이용하여 단위전지의 각 가스채널들로 균일하게 공급함으로써 전력 효율을 개선할 수 있는 연료전지의 단위전지 모듈 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공함을 목적으로 한다.
The present invention for solving the above problems is to provide a fuel cell that can improve the power efficiency by uniformly supplying the fuel gas supplied into the unit cell module of the fuel cell to each gas channel of the unit cell using a porous medium. An object of the present invention is to provide a unit cell module and a solid oxide fuel cell including the same.

본 발명에 따른 연료전지의 단위전지 모듈은, 연료가스가 이동하는 2개 이상의 가스채널이 형성된 단위전지; 일단에 공급관이 연결 부착되고 그 반대쪽에 출구가 형성되며 상기 출구는 상기 단위전지의 일 단부와 결합되고 상기 공급관을 통하여 공급되는 연료가스의 유량을 균일화하여 상기 2개 이상의 가스채널로 전달하는 입구 매니폴드; 및 일단에 배출관이 연결 부착되고 그 반대쪽에 입구가 형성되며 상기 입구를 통하여 배출되는 연료가스를 상기 배출관으로 전달하는 출구 매니폴드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A unit cell module of a fuel cell according to the present invention includes: a unit cell in which at least two gas channels through which fuel gas is moved are formed; An inlet manifold is connected to one end of the supply pipe and an outlet is formed on the opposite side thereof. Folds; And an outlet manifold connected to one end of the discharge pipe and having an inlet formed on the opposite side thereof, and configured to transfer the fuel gas discharged through the inlet to the discharge pipe.

상기 입구 매니폴드는, 일면에 상기 공급관을 통해 공급되는 연료가스를 반대쪽 상기 출구로 전달하는 분배 공간이 형성되며, 상기 출구와 상기 공급관 사이의 상기 분배 공간에 상기 다공성 매질이 설치됨으로써, 상기 공급관으로부터 상기 단위전지의 2개 이상의 가스채널로 공급되는 연료가스의 유량이 상기 다공성 매질에 의하여 균일화될 수 있다.The inlet manifold has a distribution space for delivering fuel gas supplied through the supply pipe to the outlet on one side thereof, and the porous medium is installed in the distribution space between the outlet and the supply pipe, thereby The flow rate of the fuel gas supplied to two or more gas channels of the unit cell may be homogenized by the porous medium.

상기 분배 공간에 제1 완충 공간이 형성되어서 상기 다공성 매질과 상기 공급관의 단부가 이격되어 배치될 수 있다.A first buffer space may be formed in the distribution space so that the end of the porous medium and the supply pipe may be spaced apart from each other.

상기 분배 공간에 제2 완충 공간이 형성되어서 상기 다공성 매질과 상기 단위전지의 단부가 이격되어 배치될 수 있다.A second buffer space may be formed in the distribution space so that the porous medium and the end of the unit cell are spaced apart from each other.

상기 분배 공간은 제1 완충 공간, 상기 다공성 매질, 제2 완충 공간 및 상기 단위전지의 단부가 삽입되는 공간이 순차적으로 이어지도록 구성될 수 있다.The distribution space may be configured such that a space in which the first buffer space, the porous medium, the second buffer space, and the end of the unit cell are inserted are sequentially connected.

상기 다공성 매질은 폴리머, 메탈, 세라믹 및 하이브리드 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 물질을 포함하여 형성될 수 있다.The porous medium may include at least one material selected from the group consisting of polymers, metals, ceramics, and hybrid compounds.

본 발명은 또한, 상기 본 발명에 따른 연료전지의 단위전지 모듈을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.The present invention also provides a solid oxide fuel cell comprising the unit cell module of the fuel cell according to the present invention.

본 발명은 또한, 연료 공급관으로부터 공급된 연료가스를 2개 이상의 가스채널로 전달하는 연료전지의 단위전지 매니폴드로서, 다공성 매질을 포함하여, 연료가스가 상기 공급관으로부터 상기 다공성 매질을 거쳐 상기 단위전지의 2개 이상의 가스채널로 전달되도록 하는 연료전지의 단위전지 매니폴드를 제공한다.
The present invention also relates to a unit cell manifold of a fuel cell that delivers fuel gas supplied from a fuel supply pipe to two or more gas channels, including a porous medium, wherein fuel gas is passed from the supply pipe through the porous medium to the unit cell. It provides a unit cell manifold of a fuel cell to be delivered to two or more gas channels of.

본 발명의 연료전지의 단위전지 모듈 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지에 따르면, 다공성 매질을 이용하여 공급관으로부터 단위전지의 연료극에 형성된 2개 이상의 가스채널로 연료가스가 균일하게 공급되도록 함으로써 출력 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.According to the unit cell module of the fuel cell of the present invention and a solid oxide fuel cell including the same, output efficiency is improved by uniformly supplying fuel gas to two or more gas channels formed in the anode of the unit cell by using a porous medium. There is an advantage that can be improved.

본 발명은 다양한 구조를 갖는 고체산화물 연료전지에 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 가스채널을 통해 연료가스가 공급되는 구조를 갖는 다른 종류의 연료전지에도 널리 활용될 수 있다.
The present invention can be used not only for solid oxide fuel cells having various structures, but also for other types of fuel cells having a structure in which fuel gas is supplied through a plurality of gas channels.

도 1은 일반적인 고체산화물 연료전지의 단위전지를 공기극 쪽에서 바라보는 사시도이다.
도 2는 일반적인 고체산화물 연료전지의 단위전지를 인터커넥터 쪽에서 바라보는 사시도이다.
도 3은 종래의 고체산화물 연료전지의 단위전지 모듈의 평면도이다.
도 4는 도 3의 입구 매니폴드(또는 출구 매니폴드)의 평면도이다.
도 5는 도 3의 입구 매니폴드(또는 출구 매니폴드)의 정면도이다.
도 6은 도 3의 입구 매니폴드에서 연료가스의 유속 분포를 수치 해석한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 연료전지의 단위전지 모듈의 바람직한 실시예의 사시도이다.
도 8은 도 7의 실시예에 적용되는 입구 매니폴드의 평면도이다.
도 9는 도 8의 입구 매니폴드의 측면도이다.
도 10은 도 8의 입구 매니폴드의 정면도이다.
도 11은 도 8의 입구 매니폴드에서 연료가스의 유속 분포를 수치 해석한 그래프이다.
1 is a perspective view of a unit cell of a general solid oxide fuel cell viewed from an air electrode side.
2 is a perspective view of a unit cell of a typical solid oxide fuel cell viewed from an interconnector side.
3 is a plan view of a unit cell module of a conventional solid oxide fuel cell.
4 is a plan view of the inlet manifold (or outlet manifold) of FIG.
5 is a front view of the inlet manifold (or outlet manifold) of FIG. 3.
FIG. 6 is a graph for numerically analyzing the flow rate distribution of fuel gas in the inlet manifold of FIG. 3.
7 is a perspective view of a preferred embodiment of a unit cell module of a fuel cell according to the present invention.
8 is a plan view of an inlet manifold applied to the embodiment of FIG.
9 is a side view of the inlet manifold of FIG. 8.
10 is a front view of the inlet manifold of FIG. 8.
FIG. 11 is a graph for numerically analyzing the flow rate distribution of fuel gas in the inlet manifold of FIG. 8.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings and should be construed in accordance with the technical meanings and concepts of the present invention.

본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.
The embodiments described in the specification and the configuration shown in the drawings are preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical idea of the present invention, various equivalents and modifications that can replace them at the time of the present application are There may be.

이하 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 단위전지 모듈 및 그에 채용되는 단위전지 매니폴드는 평관형 고체산화물 연료전지의 구성을 예로 설명되나, 본 발명의 사상은 2개 이상의 가스채널을 통해 연료가스가 공급되는 다양한 종류의 연료전지에 널리 채용될 수 있다.Hereinafter, a unit cell module of a fuel cell and a unit cell manifold employed therein will be described as an example of the configuration of a flat solid oxide fuel cell, but the idea of the present invention is to provide fuel gas through two or more gas channels. It can be widely employed in various types of fuel cells supplied with.

도 7은 본 발명에 따른 연료전지의 단위전지 모듈의 바람직한 실시예의 사시도이다.7 is a perspective view of a preferred embodiment of a unit cell module of a fuel cell according to the present invention.

도 7의 실시예에 따르면, 단위전지(10)의 양단에 입구 매니폴드(200) 및 출구 매니폴드(22)가 결합되며, 입구 매니폴드(200)에는 연료가스를 공급하는 공급관(21)이 구성되고 출구 매니폴드(22)에는 연료가스를 배출하는 배출관(23)이 구성된다.According to the embodiment of FIG. 7, the inlet manifold 200 and the outlet manifold 22 are coupled to both ends of the unit cell 10, and the inlet manifold 200 has a supply pipe 21 for supplying fuel gas. The outlet manifold 22 is configured with a discharge pipe 23 for discharging fuel gas.

연료가스는 반응을 위하여 공급관(21) 및 입구 매니폴드(200)를 거쳐 단위전지(10)에 형성된 2개 이상의 가스채널로 공급되고, 반응이 끝난 배출가스는 출구 매니폴드(22) 및 배출관(23)을 통하여 배출된다.Fuel gas is supplied to two or more gas channels formed in the unit cell 10 through the supply pipe 21 and the inlet manifold 200 for the reaction, and the exhaust gas after the reaction is the outlet manifold 22 and the discharge pipe ( Through 23).

본 실시예에 따른 연료전지의 단위전지 모듈에 있어서, 입구 매니폴드(200)는 도 8 내지 도 10과 같이 다공성 매질을 포함하는 구성을 갖는다.In the unit cell module of the fuel cell according to the present embodiment, the inlet manifold 200 has a configuration including a porous medium as shown in FIGS.

입구 매니폴드(200)는 일단에 공급관(21)이 연결 부착되고, 그 반대쪽에 개방된 출구가 형성된다.The inlet manifold 200 has a supply pipe 21 connected to one end and an open outlet on the opposite side thereof.

입구 매니폴드(200)의 출구는 도 7에서 도시된 단위전지(10)의 단부와 결합되고, 단위전지(10) 내부의 연료극에는 도 1에서와 같이 연료가스가 유입되는 가스채널(16)들이 형성된다.The outlet of the inlet manifold 200 is coupled to the end of the unit cell 10 shown in FIG. 7, and the gas channels 16 into which the fuel gas flows are introduced into the anode inside the unit cell 10 as shown in FIG. 1. Is formed.

그리고, 출구 매니폴드(22)는 일단에 배출관(23)이 연결 부착되고 그 반대쪽에 개방된 입구가 형성된다. 출구 매니폴드(22)는 단위전지(10)의 가스채널(16)을 통해 배출되는 가스를 배기하기 위한 것이다.In addition, the outlet manifold 22 is connected to the discharge pipe 23 at one end thereof, and an inlet is formed at the opposite side thereof. The outlet manifold 22 is for exhausting the gas discharged through the gas channel 16 of the unit cell 10.

여기에서, 입구 매니폴드(200)에는 일단에 연결 부착된 공급관(21)을 통하여 단위전지(10)에 공급되는 연료가스의 유량을 균일화하여 출구로 전달하는 다공성 매질(204)이 설치된다.Here, the inlet manifold 200 is provided with a porous medium 204 for uniformizing the flow rate of the fuel gas supplied to the unit cell 10 through the supply pipe 21 attached to one end and delivering it to the outlet.

여기에서, 다공성 매질(204)은 폴리머, 메탈, 세라믹 및 하이브리드 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 물질 또는 2개 이상의 물질로 형성된 복합체로 구성될 수 있다. Here, the porous medium 204 may be composed of one material selected from the group consisting of polymers, metals, ceramics, and hybrid compounds, or a composite formed of two or more materials.

보다 구체적으로 입구 매니폴드(200)에는 공급관(21)을 통하여 공급되는 연료가스를 반대쪽 출구로 전달하는 분배 공간이 형성되며, 분배 공간에 다공성 매질(204)이 설치된다.More specifically, the inlet manifold 200 is formed with a distribution space for delivering fuel gas supplied through the supply pipe 21 to the opposite outlet, and a porous medium 204 is installed in the distribution space.

여기에서, 다공성 매질(204)은 소정 두께를 갖는 막을 이룰 수 있으며, 반응 가스가 유입되는 유량을 조절하기 위하여 임의로 설정된 투과율을 갖도록 구성될 수 있다.Herein, the porous medium 204 may form a membrane having a predetermined thickness, and may be configured to have a permeation rate arbitrarily set to adjust the flow rate at which the reaction gas is introduced.

다공성 매질(204)의 투과율을 낮춤에 따라 각 가스채널(16)로 공급되는 유량은 점점 균일해지지만, 다공성 매질(204)의 투과율이 지나치게 낮을 경우 연료가스의 공급이 어려워지므로 적정 범위에서 조절될 수 있다.As the permeability of the porous medium 204 is lowered, the flow rate supplied to each gas channel 16 becomes more and more uniform. However, when the permeability of the porous medium 204 is too low, the supply of fuel gas becomes difficult, so that it can be adjusted in an appropriate range. Can be.

한편, 입구 매니폴드(200)의 분배 공간은 제1 완충 공간(202), 다공성 매질(204), 제2 완충 공간(206) 및 단위전지(10)의 단부가 삽입되는 공간(208)이 순차적으로 이어지도록 구성될 수 있다.On the other hand, the distribution space of the inlet manifold 200 is the first buffer space 202, the porous medium 204, the second buffer space 206 and the space 208 into which the end of the unit cell 10 is inserted sequentially It can be configured to lead to.

그리고, 분배 공간을 이루는 제1 완충 공간(202), 다공성 매질(204), 제2 완충 공간(206) 및 단위전지(10) 단부가 삽입되는 공간(208)은 출구 쪽으로 점차적으로 넓은 면적을 갖도록 다단으로 단차진 형상을 가질 수 있다. In addition, the first buffer space 202, the porous medium 204, the second buffer space 206, and the space 208 into which the end portions of the unit cells 10 are inserted, forming the distribution space, have a large area toward the outlet. It may have a stepped shape in multiple stages.

상기와 같이 출구 쪽으로 점차적으로 넓은 면적을 갖도록 구성함에 따라 다공성 매질(204)과 단위전지(10)의 조립을 편리하게 할 수 있다.As described above, the porous medium 204 and the unit cell 10 may be conveniently assembled by having a large area toward the outlet.

상술한 바와 같이 다공성 매질(204)을 포함하여 입구 매니폴드(200)가 구성됨으로써 입구 매니폴드(200) 내부의 다공성 매질(204) 이하의 공간 내에서 유속 분포가 균일해 질 수 있다. 이에 대하여 도 11을 참조하여 설명한다.As described above, the inlet manifold 200 is configured to include the porous medium 204, so that the flow rate distribution may be uniform in a space below the porous medium 204 inside the inlet manifold 200. This will be described with reference to FIG. 11.

도 11은 투과율이 10-9 ~ 10-11 m2 인 다공성 매질(Porous Media)이 설치된 연료가스 공급을 위한 입구 매니폴드(200)에서 유체 유속 분포를 수치 해석한 그래프이다. 도 11에서 y값은 다공성 매질(204)이 설치된 위치로부터의 거리를, 세로축은 유속을, 가로축은 공급관(21)의 중심축 선상을 기준으로 한 좌우의 거리를 나타낸다. FIG. 11 is a graph illustrating a numerical analysis of fluid flow rate distribution in an inlet manifold 200 for supplying fuel gas having a permeability of 10 -9 to 10 -11 m 2 . In FIG. 11, the y value represents the distance from the position where the porous medium 204 is installed, the vertical axis represents the flow velocity, and the horizontal axis represents the distance to the left and right on the line of the central axis of the supply pipe 21.

도 11의 그래프에서 보듯이 입구 매니폴드(200) 내의 수평 방향(다공성 매질 면과 수평한 면)의 전 위치에서 유속 분포가 균일함을 알 수 있다.As shown in the graph of FIG. 11, it can be seen that the flow velocity distribution is uniform at all positions in the horizontal direction (the surface parallel to the porous medium surface) in the inlet manifold 200.

따라서, 연료전지의 단위전지(10)에 연결되는 입구 매니폴드(200)에 다공성 매질(204)을 설치함에 따라, 단위전지(10) 내의 모든 가스채널(16)로 연료가스가 균등한 유량으로 공급될 수 있으며, 그에 따라 연료전지의 전력 효율을 크게 향상시킬 수 있다.Accordingly, as the porous medium 204 is installed in the inlet manifold 200 connected to the unit cell 10 of the fuel cell, all gas channels 16 in the unit cell 10 have a uniform flow rate of fuel gas. Can be supplied, thereby greatly improving the power efficiency of the fuel cell.

앞서 설명한 실시예에서는 하나의 단위전지를 포함하는 연료전지의 단위전지 모듈을 예로 설명하였으나, 단위전지가 2개 이상 적층된 연료전지의 단위전지 모듈에도 동일하게 적용될 수 있다. 아울러, 상기한 구조를 갖는 다양한 고체산화물 연료전지 및 2개 이상의 가스채널로 연료가스가 공급되는 다른 종류의 연료전지에도 널리 채용될 수 있다.
In the above-described embodiment, the unit cell module of the fuel cell including one unit cell has been described as an example, but the same may be applied to the unit cell module of the fuel cell in which two or more unit cells are stacked. In addition, the present invention may be widely employed in various solid oxide fuel cells having the above-described structure and other types of fuel cells in which fuel gas is supplied to two or more gas channels.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and changes without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas falling within the scope of the same shall be construed as falling within the scope of the present invention.

10 : 단위전지 11 : 전해질층
12 : 공기극(양극) 14 : 인터커넥터(음극)
16 : 가스채널
20, 200 : 입구 매니폴드 22 : 출구 매니폴드
21 : 공급관 23 : 배출관
24 : 단위전지(10)의 단부가 삽입되는 공간
26: 완충공간 202 : 제1 완충공간
204 : 다공성매질 206 : 제2 완충공간
208 : 단위전지(10)의 단부가 삽입되는 공간 10 unit cell 11 electrolyte layer
12: air cathode (anode) 14: interconnector (cathode)
16 gas channel
20, 200: inlet manifold 22: outlet manifold
21 supply pipe 23 discharge pipe
24: space in which the end of the unit cell 10 is inserted
26: buffer space 202: first buffer space
204: porous medium 206: second buffer space
208: space in which the end of the unit cell 10 is inserted

Claims (8)

연료가스가 이동하는 2개 이상의 가스채널이 형성된 단위전지와 상기 단위전지의 양면에 각각 형성되는 공기극 및 인터커넥터를 포함하는 단위전지;
일단에 공급관이 연결 부착되고 그 반대쪽에 출구가 형성되며, 상기 출구는 상기 단위전지의 일 단부와 결합되고, 상기 단위전지에 공급되는 연료가스의 유량을 균일화하여 상기 2개 이상의 가스채널로 전달하는 입구 매니폴드; 및
일단에 배출관이 연결 부착되고 그 반대쪽에 입구가 형성되며, 상기 입구를 통하여 상기 단위전지로부터 배출되는 가스를 상기 배출관으로 전달하는 출구 매니폴드;를 포함하고,
상기 입구 매니폴드는, 일면에 상기 공급관을 통해 공급되는 연료가스를 반대쪽 상기 출구로 전달하는 분배 공간이 형성되며, 상기 출구와 상기 공급관 사이의 상기 분배 공간에 다공성 매질이 설치됨으로써, 상기 공급관으로부터 상기 단위전지의 2개 이상의 가스채널로 공급되는 연료가스의 유량이 상기 다공성 매질에 의하여 균일화되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위전지 모듈.
A unit cell including a unit cell having two or more gas channels through which fuel gas is moved, and an air electrode and an interconnector formed on both sides of the unit cell;
A supply pipe is connected at one end and an outlet is formed at the opposite side, and the outlet is coupled to one end of the unit cell, and uniformizes the flow rate of the fuel gas supplied to the unit cell and delivers the same to the two or more gas channels. Inlet manifold; And
And an outlet manifold connected to one end of the discharge pipe and having an inlet formed on the opposite side thereof, and configured to transfer gas discharged from the unit cell to the discharge pipe through the inlet.
The inlet manifold has a distribution space for delivering fuel gas supplied through the supply pipe to the outlet on one side thereof, and a porous medium is installed in the distribution space between the outlet and the supply pipe, thereby providing the The unit cell module of a fuel cell, characterized in that the flow rate of the fuel gas supplied to two or more gas channels of the unit cell is homogenized by the porous medium.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 분배 공간에 제1 완충 공간이 형성되어서 상기 다공성 매질과 상기 공급관의 단부가 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위전지 모듈.
The method of claim 1,
The first buffer space is formed in the distribution space unit cell module of the fuel cell, characterized in that the porous medium and the end of the supply pipe is spaced apart.
제1항에 있어서,
상기 분배 공간에 제2 완충 공간이 형성되어서 상기 다공성 매질과 상기 단위전지의 단부가 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위전지 모듈.
The method of claim 1,
The second buffer space is formed in the distribution space unit cell module of the fuel cell, characterized in that the porous medium and the end of the unit cell is spaced apart.
제1항에 있어서,
상기 분배 공간은 제1 완충 공간, 상기 다공성 매질, 제2 완충 공간 및 상기 단위전지의 단부가 삽입되는 공간이 순차적으로 이어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위전지 모듈.
The method of claim 1,
The distribution space is a unit cell module of a fuel cell, characterized in that the first buffer space, the porous medium, the second buffer space and the space in which the end of the unit cell is inserted in sequence.
제1항에 있어서,
상기 다공성 매질은 폴리머, 메탈, 세라믹 및 하이브리드 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 물질을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위전지 모듈.
The method of claim 1,
The porous medium is a unit cell module of a fuel cell, characterized in that it comprises at least one material selected from the group consisting of polymers, metals, ceramics and hybrid compounds.
제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 연료전지의 단위전지 모듈을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
A solid oxide fuel cell comprising a unit cell module of a fuel cell according to claim 1.
연료 공급관으로부터 공급된 연료가스를 2개 이상의 가스채널로 균일하게 전달하는 연료전지의 단위전지 매니폴드로서,
다공성 매질을 포함하여, 연료가스가 상기 공급관으로부터 상기 다공성 매질을 거쳐 상기 2개 이상의 가스채널로 균일하게 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위전지 매니폴드.
A unit cell manifold of a fuel cell that uniformly delivers fuel gas supplied from a fuel supply pipe to two or more gas channels,
A unit cell manifold of a fuel cell, comprising a porous medium, such that fuel gas is uniformly delivered from the supply pipe to the two or more gas channels through the porous medium.
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