KR101364131B1 - Cylindrical solid oxide fuel cell - Google Patents

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KR101364131B1
KR101364131B1 KR1020120119866A KR20120119866A KR101364131B1 KR 101364131 B1 KR101364131 B1 KR 101364131B1 KR 1020120119866 A KR1020120119866 A KR 1020120119866A KR 20120119866 A KR20120119866 A KR 20120119866A KR 101364131 B1 KR101364131 B1 KR 101364131B1
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solid oxide
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cylindrical solid
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KR1020120119866A
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이승복
송락현
박석주
임탁형
이종원
신동열
김완제
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한국에너지기술연구원
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Abstract

A cylindrical solid oxide fuel cell module by an embodiment of the present invention comprises the following: a fuel electrode supporter; an electrolyte layer located on the outer circumference of the fuel electrode supporter; an air electrode layer located on the electrolyte layer; and an inner current collector located inside the fuel electrode supporter. The fuel electrode supporter includes: a metal felt layer passing through fuel gas by being formed into a porous structure, and functioning as a current collector; and a metallic wire located on the inner circumference of the metal felt layer with constant intervals for collecting internal current. The inner current collector is inserted into the fuel electrode supporter with the outer circumference contacting the metallic wire for reducing resistance.

Description

원통형 고체산화물 연료전지{CYLINDRICAL SOLID OXIDE FUEL CELL}Cylindrical Solid Oxide Fuel Cell {CYLINDRICAL SOLID OXIDE FUEL CELL}

본 발명은 고체산화물 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단위 셀 내부의 니켈(Ni) 저항을 줄임으로써, 내부저항을 감소시키고 출력을 높일 수 있는 원통형 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly to a cylindrical solid oxide fuel cell that can reduce the internal resistance and increase the output by reducing the nickel (Ni) resistance in the unit cell.

산업 발달에 따른 경제성장으로 전력의 수요가 점차 증가되고 있으며 전력 생산에 필요한 석유와 석탄 등의 화석연료 사용에 기인한 공해문제와 기상이변 등의 환경문제가 심각해지고 있다.Demand for electricity is gradually increasing due to the economic growth due to industrial development, and environmental problems such as pollution problems caused by the use of fossil fuels such as petroleum and coal required for electric power generation and abnormal weather are getting serious.

더욱이 화석연료 사용에 따른 이산화탄소 발생으로 인한 지구 온난화 현상 등 여러 가지 환경오염 문제가 대두 되고 있는바, 화석연료를 대체할 청정에너지원으로 태양광, 태양열 에너지, 바이오 에너지, 풍력 에너지, 수소 에너지에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다.Moreover, various environmental pollution problems such as global warming due to carbon dioxide generation due to the use of fossil fuels are emerging. As a clean energy source to replace fossil fuels, solar, solar energy, bio energy, wind energy, and hydrogen energy Development is underway.

그 중 수소를 연료로 하는 연료전지 분야도 활발한 연구가 진행되고 있는데 연료전지 분야는 발전에 따른 공해 물질의 배출이 없어서 미래의 발전기술로 평가되고 있으며 발전소 건설에 필요한 부지 및 송전, 변전 시설이 필요하지 않아 우리나라 실정에 매우 적합하다.Among them, active research is being conducted in the fuel cell sector using hydrogen as a fuel. The fuel cell sector is evaluated as a future power generation technology because there is no emission of pollutants due to power generation, and it requires land, power transmission, and substation facilities for power plant construction. It is not suitable for our country.

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

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

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

반응식 1Scheme 1

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

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

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

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

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

이에 따라, 고체 산화물 연료전지 중, 원통형 고체 산화물 연료전지의 집전시 전지의 내부 집전 방식에 대한 개선에 대하여도 많은 연구가 이루어지고 있다.Accordingly, many studies have been made on the improvement of the internal current collecting method of the battery when the cylindrical solid oxide fuel cell is collected in the solid oxide fuel cell.

종래의 원통형 고체산화물 연료전지는 상기 원통형 연료전지의 내부 집전을 위하여, 니켈 펠트(Ni felt)나 니켈 메쉬(Ni mesh)에 니켈 와이어(Ni wire)를 용접한 후 이를 둥그렇게 말아 원통형 연료전지의 내부에 위치될 수 있는 형태로 형성한다. 이후에, 상기 둥그렇게 말아진 니켈 펠트 위에 니켈 잉크를 도포한 후 연료전지 내부에 넣어 전류를 수집하는 방식을 사용하고 있다.In the conventional cylindrical solid oxide fuel cell, the nickel fuel or nickel mesh is welded to the nickel felt or the nickel mesh for the internal current collecting of the cylindrical fuel cell. It is formed into a shape that can be located inside. Subsequently, a nickel ink is applied onto the rounded nickel felt and then put into a fuel cell to collect current.

그러나, 상기한 구성은 원통형 고체산화물 연료전지 모듈의 단위 셀을 직렬로 연결하였을 때 스택 전체의 저항값을 계산해보면, 전체 저항 중에서 니켈(Ni) 저항이 많은 부분을 차지하고, 내부저항이 증가하여 전류를 수집하거나 분배하는데 어려움이 있다.
However, in the above configuration, when the unit resistance of the cylindrical solid oxide fuel cell module is connected in series, the resistance value of the entire stack is calculated. Difficulty collecting or distributing

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 니켈(Ni) 저항을 줄임으로써 내부저항을 감소시키고 높은 출력을 얻을 수 있는 원통형 고체산화물 연료전지를 제공하는 데 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide a cylindrical solid oxide fuel cell that can reduce the internal resistance and obtain a high output by reducing the nickel (Ni) resistance.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 내부 집전을 사용하는 모든 형태의 고체산화물 연료전지에 적용 가능하고, 고전압, 저전류 형태의 휴대용 및 군용 소형 스택에 사용될 수 있는 원통형 고체산화물 연료전지를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a cylindrical solid oxide fuel cell that can be applied to all types of solid oxide fuel cells using internal current collectors, and can be used in portable and military small stacks of high voltage and low current types. There is.

본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The various problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 원통형 고체산화물 연료전지 모듈은, 연료극 지지체; 상기 연료극 지지체 외주면에 위치하는 전해질층; 상기 전해질층 상에 위치하는 공기극층; 및 상기 연료극 지지체 내부에 위치하는 내부집전체를 포함하되, 상기 연료극 지지체는, 다공성으로 형성되어 연료가스를 통과시키고, 집전체로 기능하는 금속 펠트층; 및 상기 금속 펠트층 내주면에 일정 간격 이격되게 구비되고, 내부 전류를 수집하는 금속성 와이어를 포함하고, 상기 내부집전체는, 상기 연료극 지지체 내측에 삽입되고, 외주면이 상기 금속성 와이어와 접촉하여 저항을 감소시킬 수 있다.Cylindrical solid oxide fuel cell module according to an embodiment of the present invention, the anode support; An electrolyte layer positioned on an outer circumferential surface of the anode support; A cathode layer positioned on the electrolyte layer; And an internal current collector positioned inside the anode support, wherein the anode support includes a metal felt layer formed to be porous to allow fuel gas to pass therethrough and function as a current collector; And a metallic wire spaced apart from the inner surface of the metal felt layer by a predetermined interval and collecting an internal current, wherein the inner current collector is inserted into the anode support, and an outer circumferential surface contacts the metallic wire to reduce resistance. You can.

상기 내부집전체는 다수 개의 봉(rod) 형상으로 구성될 수 있다.The internal current collector may have a plurality of rod shapes.

상기 내부집전체는 다수 개의 선(wire) 형상으로 구성될 수 있다.The internal current collector may have a plurality of wire shapes.

상기 내부집전체는 전도성 금속물질로 형성될 수 있다.The internal current collector may be formed of a conductive metal material.

상기 전도성 금속물질은 니켈(Ni), 스테인레스(stainless) 또는 강철(steel) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The conductive metal material may include any one of nickel (Ni), stainless steel, or steel.

상기 금속 펠트층은 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 니켈(Ni) 펠트층일 수 있다.The metal felt layer may be a nickel (Ni) felt layer mainly containing nickel (Ni).

상기 금속성 와이어는 금속, 합금, 금속 및 합금의 혼합물, 또는 금속 산화물 및 금속의 혼합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The metallic wire may comprise any one of metals, alloys, mixtures of metals and alloys, or mixtures of metal oxides and metals.

상기 금속성 와이어는 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 니켈(Ni) 와이어일 수 있다.The metallic wire may be a nickel (Ni) wire mainly containing nickel (Ni).

상기 금속성 와이어는 Au, Pd, Pt, Ni, Ru, Rh, Ir 또는 이들의 합금 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The metallic wire may include any one of Au, Pd, Pt, Ni, Ru, Rh, Ir, or an alloy thereof.

상기 내부집전체는 상기 연료극 지지체와 전기적으로 연결되어 상기 연료극 지지체로부터 발생된 전류를 수집할 수 있다.The internal current collector may be electrically connected to the anode support to collect current generated from the anode support.

상기 내부집전체는 상기 금속성 와이어를 상기 금속 펠트층 내주면에 압착시키는 역할을 함과 동시에 집전체로 기능할 수 있다.The internal current collector may serve to compress the metallic wire to the inner circumferential surface of the metal felt layer and also function as a current collector.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 원통형 고체산화물 연료전지는, 단위 셀; 상기 단위 셀 내측에 위치하는 내부집전체를 포함하되, 상기 단위 셀은, 집전체로 기능하는 금속 펠트층, 내부 전류를 수집하는 금속성 와이어를 포함하는 연료극 지지체; 상기 연료극 지지체 외주면에 위치하는 전해질층; 및 상기 전해질층 상에 위치하는 공기극층을 포함하고, 상기 내부집전체는, 상기 금속성 와이어와 접촉하고 전도성 금속물질로 형성되는 다수 개의 봉(rod) 또는 선(wire)을 포함할 수 있다.Cylindrical solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, a unit cell; An internal current collector located inside the unit cell, wherein the unit cell comprises: a fuel cell support including a metal felt layer functioning as a current collector and a metallic wire collecting internal current; An electrolyte layer positioned on an outer circumferential surface of the anode support; And a cathode layer disposed on the electrolyte layer, wherein the internal current collector may include a plurality of rods or wires which are in contact with the metallic wire and formed of a conductive metal material.

본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당 업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The various problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 원통형 고체산화물 연료전지는 니켈(Ni) 저항을 줄임으로써 내부저항을 감소시키고 높은 출력을 얻을 수 있다.Cylindrical solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention can reduce the internal resistance and obtain a high output by reducing the nickel (Ni) resistance.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 원통형 고체산화물 연료전지는 내부 집전을 사용하는 모든 형태의 고체산화물 연료전지에 적용 가능하고, 고전압, 저전류 형태의 휴대용 및 군용 소형 스택에 사용될 수 있다.In addition, the cylindrical solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention is applicable to all types of solid oxide fuel cells using internal current collectors, and may be used in portable and military small stacks of high voltage and low current types.

본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들은, 구체적으로 언급되지 않은 다양한 효과를 제공할 수 있다는 것이 충분히 이해될 수 있을 것이다.
It will be appreciated that various embodiments of the inventive concepts of the present invention can provide various effects not specifically mentioned.

도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 원통형 고체산화물 연료전지 모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 A-A' 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 도 2의 B 부분을 확대한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상의 일 변형예에 따른 내부집전체의 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 원통형 고체산화물 연료전지에서 내부집전체 유무에 따른 온도별 성능곡선을 비교하기 위한 그래프이다.
1 is a view schematically showing a cylindrical solid oxide fuel cell module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1.
3 is an enlarged cross-sectional view of a portion B of FIG. 2.
4 is a longitudinal cross-sectional view of an internal current collector according to a modified example of the technical idea of the present invention.
FIG. 5 is a graph for comparing a performance curve for each temperature according to whether an internal current collector is present in a cylindrical solid oxide fuel cell according to an embodiment of the inventive concept.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장될 수 있으며 실제 층의 두께나 크기와 다를 수 있다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent by reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. In the drawings, the thickness or size of each layer may be exaggerated for convenience and clarity of description and may differ from the thickness or size of the actual layer.

상단, 하단, 상면, 하면, 또는 상부, 하부 등의 용어는 구성요소에 있어 상대적인 위치를 구별하기 위해 사용되는 것이다. 예를 들어, 편의상 도면상의 위쪽을 상부, 도면상의 아래쪽을 하부로 명명하는 경우, 실제에 있어서는 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 상부는 하부로 명명될 수 있고, 하부는 상부로 명명될 수 있다.Terms such as top, bottom, top, bottom, or top, bottom, etc. are used to distinguish relative positions in components. For example, in the case of naming the upper part of the drawing as upper part and the lower part as lower part in the drawings for convenience, the upper part may be named lower part and the lower part may be named upper part without departing from the scope of right of the present invention .

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprises", "having", and the like are used to specify that a feature, a number, a step, an operation, an element, a part or a combination thereof is described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the relevant art and are to be construed as ideal or overly formal in meaning unless explicitly defined in the present application Do not.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 원통형 고체산화물 연료전지에 대한 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.
Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the cylindrical solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 원통형 고체산화물 연료전지를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 A-A' 선을 따라 절단한 단면도이며, 도 3은 도 2의 B 부분을 확대한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 기술적 사상의 일 변형예에 따른 내부집전체의 개념적인 종단면도이며, 도 5는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 원통형 고체산화물 연료전지에서 내부집전체 유무에 따른 온도별 성능곡선을 비교하기 위한 그래프이다.
1 is a view schematically showing a cylindrical solid oxide fuel cell according to an embodiment of the inventive concept, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1, and FIG. 3 is a portion B of FIG. 2. Figure 4 is an enlarged cross-sectional view, Figure 4 is a conceptual longitudinal sectional view of the internal current collector according to a modification of the technical idea of the present invention, Figure 5 is a cylindrical solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention This is a graph for comparing the performance curve for each temperature according to the presence or absence of internal current collector.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 원통형 고체산화물 연료전지 모듈(100)은 단위 셀(80), 상기 단위 셀(80) 내측에 위치하는 내부집전체(700)를 포함할 수 있다.1 to 4, a cylindrical solid oxide fuel cell module 100 according to an embodiment of the inventive concept may include a unit cell 80 and an internal current collector located inside the unit cell 80. 700).

상기 단위 셀(80)은 연료극 지지체(10), 상기 연료극 지지체(10) 외주면 상에 위치하는 전해질층(30) 및 상기 전해질층(30) 상에 위치하는 공기극층(50)을 포함할 수 있다.The unit cell 80 may include an anode support 10, an electrolyte layer 30 disposed on an outer circumferential surface of the anode support 10, and an anode layer 50 located on the electrolyte layer 30. .

상기 연료극 지지체(10)는 원통 형상으로 구성되고, 상기 원통형 고체산화물 연료전지 서브모듈(100)의 단위 셀(80)을 전체적으로 지지하는 역할을 할 수 있다. 상기 연료극 지지체(10)는 산화니켈(NiO) 분말, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 분말, 바인더, 균일제, 분산제, 가소제 및 용매를 혼합하여 제조된 슬러리를 사용하여 제조될 수 있다. 상기 연료극 지지체(10)는 산화니켈(NiO)과 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 혼합물로 형성되므로, 도전성을 가질 수 있다. 상기 연료극 지지체(10)는 수소를 포함한 연료가스가 통과할 수 있도록 다공성 물질로 형성될 수 있다. 상기 연료극 지지체(10)는 단위 셀(80)의 프레임을 형성하고 연료/반응물의 유로로서의 역할을 하며, 2개 이상의 단위 셀이 연결되므로 전기전도성이 없는 물질로 구성될 수 있다. 상기 연료극 지지체(10)는 내주면에 금속 펠트층(12)을 더 포함할 수 있다.The anode support 10 may have a cylindrical shape and may support the unit cell 80 of the cylindrical solid oxide fuel cell submodule 100 as a whole. The anode support 10 may be manufactured using a slurry prepared by mixing nickel oxide (NiO) powder, yttria stabilized zirconia (YSZ) powder, a binder, a homogeneous agent, a dispersant, a plasticizer and a solvent. Since the anode support 10 is formed of a mixture of nickel oxide (NiO) and yttria stabilized zirconia (YSZ), the anode support 10 may have conductivity. The anode support 10 may be formed of a porous material so that fuel gas including hydrogen may pass therethrough. The anode support 10 forms a frame of the unit cell 80 and serves as a flow path of the fuel / reactant, and since two or more unit cells are connected, the anode support 10 may be made of a material having no electrical conductivity. The anode support 10 may further include a metal felt layer 12 on an inner circumferential surface thereof.

상기 금속 펠트층(12)은 다공성으로 형성되어 상기 연료가스를 통과시키고, 집전체로서 기능하여 집전 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 펠트층(12)은 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 니켈(Ni) 펠트층일 수 있다. The metal felt layer 12 may be formed to be porous to allow the fuel gas to pass therethrough and to function as a current collector to improve current collection efficiency. For example, the metal felt layer 12 may be a nickel (Ni) felt layer mainly containing nickel (Ni).

상기 금속 펠트층(12) 내주면에는 일정 간격 이격되어 금속성 와이어(16)가 구비될 수 있다. 상기 금속성 와이어(16)는 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 니켈(Ni) 와이어일 수 있다. 그러나, 상기 금속성 와이어(16)는 부식이 심한 환경하에서는 은(Ag)을 주성분으로 하는 은(Ag) 와이어로 형성될 수도 있다. 상기 금속성 와이어(16)는 상기 원통형 고체산화물 연료전지(100)의 내부 전류를 수집하기 위하여 금속, 합금, 금속 및 합금의 혼합물, 또는 금속 산화물 및 금속의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속성 와이어(16)는 Au, Pd, Pt, Ni, Ru, Rh, Ir 또는 이들의 합금 중 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 니켈(Ni)일 수 있다.
An inner circumferential surface of the metal felt layer 12 may be provided with a metallic wire 16 spaced apart at a predetermined interval. The metallic wire 16 may be a nickel (Ni) wire mainly containing nickel (Ni). However, the metallic wire 16 may be formed of silver (Ag) wire containing silver (Ag) as a main component in a highly corrosive environment. The metallic wire 16 may be any one of a metal, an alloy, a mixture of metals and alloys, or a mixture of metal oxides and metals to collect internal current of the cylindrical solid oxide fuel cell 100. For example, the metallic wire 16 may be any one of Au, Pd, Pt, Ni, Ru, Rh, Ir, or an alloy thereof. Preferably, the metallic wire 16 may be nickel (Ni).

상기 전해질층(30)은 상기 연료극 지지체(10) 외주면 상에 위치할 수 있다. 상기 전해질층(30)은 지르코니아(ZrO2)계 분말, 바인더, 균일제, 분산제, 가소제 및 용매를 혼합하여 제조된 슬러리를 연료극 지지체(10) 상에 코팅하여 형성할 수 있다. 상기 전해질층(30)은 딥 코팅, 페인팅 등을 이용하여 상기 연료극 지지체(10) 상에 코팅되거나, 또는, 화학증착법, 물리증착법 등을 포함하는 진공증착법으로 형성할 수 있다. 상기 전해질층(30)은 상기 연료극 지지체(10)를 통과한 연료가스와 접촉할 수 있다. 상기 전해질층(30)은 상기 공기의 산소로부터 상기 연료극 지지체(10)의 연료가스를 통해 전자를 발생시켜 연료극 지지체(10)로 전류를 발생시킬 수 있다. 이때, 상기 연료극 지지체(10)는 상기 전해질층(30)을 통해 전달된 산소 이온이 상기 연료가스의 수소 이온과 반응하여 물이 생성될 수 있다.
The electrolyte layer 30 may be located on an outer circumferential surface of the anode support 10. The electrolyte layer 30 may be formed by coating a slurry prepared by mixing zirconia (ZrO 2 ) -based powder, a binder, a homogeneous agent, a dispersant, a plasticizer, and a solvent on the anode support 10. The electrolyte layer 30 may be coated on the anode support 10 using dip coating, painting, or the like, or may be formed by a vacuum deposition method including a chemical vapor deposition method, a physical vapor deposition method, and the like. The electrolyte layer 30 may contact the fuel gas that has passed through the anode support 10. The electrolyte layer 30 may generate electrons through the fuel gas of the anode support 10 from the oxygen of the air to generate a current to the anode support 10. In this case, the anode support 10 may generate water by reacting oxygen ions transferred through the electrolyte layer 30 with hydrogen ions of the fuel gas.

상기 공기극층(50)은 상기 전해질층(30) 상에 위치할 수 있다. 상기 공기극층(50)은 다층 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 공기극층(50)은 LSM-YSZ층, LSM층 및 LSCF층이 순차적으로 형성될 수 있다. 상기 공기극층(50)은 전해질층(30)과 동일한 딥 코팅 또는 페인팅법으로 코팅되거나 스크린 프린팅법으로 코팅될 수 있다. 상기 공기극층(50)은 산소를 포함하는 공기가 통과될 수 있도록 다공성 물질로 형성될 수 있다. 상기 공기극층(50)을 통과한 공기는 상기 전해질층(30)에 접촉할 수 있다. 상기 전해질층(30)은 상기 공기와 상기 연료가스가 혼합되는 것을 방지하기 위하여 치밀한 구조를 가질 수 있다.
The cathode layer 50 may be located on the electrolyte layer 30. The cathode layer 50 may be formed in a multilayer structure. For example, the cathode layer 50 may be formed of an LSM-YSZ layer, an LSM layer, and an LSCF layer sequentially. The cathode layer 50 may be coated by the same dip coating or painting method as the electrolyte layer 30 or may be coated by screen printing. The cathode layer 50 may be formed of a porous material so that air containing oxygen may pass therethrough. Air passing through the cathode layer 50 may contact the electrolyte layer 30. The electrolyte layer 30 may have a dense structure to prevent the air and the fuel gas from being mixed.

상기 내부집전체(70)는 다수 개의 봉(rod) 형상으로 구성되고, 상기 연료극 지지체(10) 내부에 위치할 수 있다. 상기 내부집전체(70)는 상기 연료극 지지체(10)와 전기적으로 연결되어 상기 연료극 지지체(10)로부터 발생된 전류를 수집할 수 있다. 상기 내부집전체(70)는 단위 셀(80) 내부의 도전저항을 감소시키고, 상기 단위 셀(80)과 내부집전체(70) 사이의 접촉저항을 감소시키기 위하여 전도성이 좋은 금속물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 내부집전체(70)는 구조적인 안정성 및 전기 전도성을 고려하여 니켈(Ni), 스테인레스(stainless), 강철(steel) 등으로 형성될 수 있다. 상기 내부집전체(70)는 단위 셀(80)의 형상에 대응하여 다수개의 봉(rod) 형상으로 구성될 수 있다. 상기 내부집전체(70)는 상기 금속성 와이어(16)를 상기 금속 펠트층(12) 내주면에 압착시키는 역할을 함과 동시에 집전체로서의 기능도 할 수 있다. 상기 내부집전체(70)는 상기 니켈(Ni) 와이어의 저항을 줄임으로써, 상기 고체산화물 연료전지 단위 셀(80)의 내부저항을 감소시키고, 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
The internal current collector 70 may have a plurality of rod shapes and may be located inside the anode support 10. The internal current collector 70 may be electrically connected to the anode support 10 to collect current generated from the anode support 10. The internal current collector 70 may be formed of a metal material having high conductivity to reduce the conductive resistance inside the unit cell 80 and to reduce the contact resistance between the unit cell 80 and the internal current collector 70. Can be. For example, the internal current collector 70 may be formed of nickel (Ni), stainless steel, steel, or the like in consideration of structural stability and electrical conductivity. The internal current collector 70 may have a plurality of rod shapes corresponding to the shape of the unit cell 80. The internal current collector 70 may compress the metallic wire 16 to the inner circumferential surface of the metal felt layer 12 and may also function as a current collector. The internal current collector 70 may reduce the resistance of the nickel (Ni) wire, thereby reducing internal resistance of the solid oxide fuel cell unit cell 80 and improving power generation efficiency.

본 발명의 기술적 사상에 따른 일 실시예에서, 상기 내부집전체(70)는 다양하게 변형될 수 있다. 이와 같이 다양하게 변형될 수 있는 상기 내부집전체(70)에 대하여, 도 4를 참조하여 설명하기로 한다. 여기서, 앞에서 설명한 일 실시예와 비교하여 변형된 부분을 중심으로 설명하기로 한다.In one embodiment according to the spirit of the present invention, the internal current collector 70 may be variously modified. The internal current collector 70 which can be variously modified as described above will be described with reference to FIG. 4. Here, the modified portion will be mainly described in comparison with the above-described embodiment.

도 4는 본 발명의 기술적 사상의 일 변형예에 따른 내부집전체의 개념적인 종단면도이다.4 is a conceptual longitudinal cross-sectional view of an internal current collector according to a modified example of the technical idea of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에서, 내부집전체(70')는 다수 개의 선(wire)을 포함할 수 있다. 상기 다수개의 선(wire)은 상기 연료극 지지체(10) 내부에 위치할 수 있다. 상기 내부집전체(70')는 상기 연료극 지지체(10)와 전기적으로 연결되어 상기 연료극 지지체(10)로부터 발생된 전류를 수집할 수 있다. 상기 내부집전체(70')는 구조적인 안정성 및 전기 전도성을 고려하여 니켈(Ni), 스테인레스(stainless), 강철(steel) 등으로 형성될 수 있다.
Referring to FIG. 4, in another embodiment of the inventive concept, the internal current collector 70 ′ may include a plurality of wires. The plurality of wires may be located inside the anode support 10. The internal current collector 70 ′ may be electrically connected to the anode support 10 to collect current generated from the anode support 10. The internal current collector 70 ′ may be formed of nickel (Ni), stainless steel, steel, or the like in consideration of structural stability and electrical conductivity.

한편, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예 및 일 변형예에서는 상기 내부집전체(70, 70')를 다수 개의 봉(rod) 또는 다수 개의 선(wire)으로 각각 구성하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 상기 내부집전체(70, 70')를 다수 개의 봉(rod) 또는 선(wire)을 상기 연료극 지지체(10) 내측에 함께 구성하여도 무방하다.
Meanwhile, in one embodiment and one modified example of the technical concept of the present invention, the internal current collectors 70 and 70 'are each composed of a plurality of rods or a plurality of wires, but the present invention is not limited thereto. Alternatively, the internal current collectors 70 and 70 'may be configured with a plurality of rods or wires inside the anode support 10.

동일한 원통형 고체산화물 연료전지 모듈(100)의 연료극 지지체(10)를 사용하여 내부집전체(70)가 구비된 단위 셀(80)과 내부집전체(70)가 구비되지 않은 단위 셀(80) 두 종류를 제작하였다.Using the anode support 10 of the same cylindrical solid oxide fuel cell module 100, the unit cell 80 having the internal current collector 70 and the unit cell 80 having no internal current collector 70 are provided. The kind was produced.

상기 단위 셀(80)의 성능을 비교한 결과, 도 5에 도시된 바와 같이 내부집전체(70)가 구비된 단위 셀(80)의 성능이 높게 나타난 것을 알 수 있다.
As a result of comparing the performance of the unit cell 80, as shown in FIG. 5, it can be seen that the performance of the unit cell 80 provided with the internal current collector 70 is high.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 일 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood that the invention may be practiced. It is therefore to be understood that one embodiment described above is illustrative in all aspects and not restrictive.

100; 원통형 고체산화물 연료전지 모듈 10; 연료극 지지체
12; 금속 펠트층 16; 금속성 와이어
30; 전해질층 50; 공기극층
70, 70'; 내부집전체 80; 단위 셀
100; Cylindrical solid oxide fuel cell module 10; Anode support
12; Metal felt layer 16; Metallic wire
30; An electrolyte layer 50; Cathode layer
70, 70 '; Internal current collector 80; Unit cell

Claims (13)

연료극 지지체;
상기 연료극 지지체 외주면에 위치하는 전해질층;
상기 전해질층 상에 위치하는 공기극층; 및
상기 연료극 지지체 내부에 위치하는 내부집전체를 포함하되,
상기 연료극 지지체는,
다공성으로 형성되어 연료가스를 통과시키고, 집전체로 기능하는 금속 펠트층; 및
상기 금속 펠트층 내주면에 일정 간격 이격되게 구비되고, 내부 전류를 수집하는 금속성 와이어를 포함하고,
상기 내부집전체는,
상기 연료극 지지체 내측에 삽입되고, 외주면이 상기 금속성 와이어와 접촉하여 저항을 감소시키는 원통형 고체산화물 연료전지 모듈.
An anode support;
An electrolyte layer positioned on an outer circumferential surface of the anode support;
A cathode layer positioned on the electrolyte layer; And
Including an internal current collector located inside the anode support,
The fuel electrode support,
A metal felt layer formed to be porous to allow fuel gas to pass therethrough and function as a current collector; And
It is provided on the inner circumferential surface of the metal felt layer spaced apart from each other, and comprises a metallic wire for collecting the internal current,
The internal current collector,
A cylindrical solid oxide fuel cell module inserted into the anode support and having an outer circumferential surface in contact with the metallic wire to reduce resistance.
제 1항에 있어서,
상기 내부집전체는 다수 개의 봉(rod) 형상으로 구성되는 원통형 고체산화물 연료전지 모듈.
The method of claim 1,
The internal current collector is a cylindrical solid oxide fuel cell module consisting of a plurality of rod (rod) shape.
제 1항에 있어서,
상기 내부집전체는 다수 개의 선(wire) 형상으로 구성되는 원통형 고체산화물 연료전지 모듈.
The method of claim 1,
The internal current collector is a cylindrical solid oxide fuel cell module consisting of a plurality of wire (wire) shape.
제 1항에 있어서,
상기 내부집전체는 전도성 금속물질로 형성되는 원통형 고체산화물 연료전지 모듈.
The method of claim 1,
The internal current collector is a cylindrical solid oxide fuel cell module formed of a conductive metal material.
제 4항에 있어서,
상기 전도성 금속물질은 니켈(Ni), 스테인레스(stainless) 또는 강철(steel) 중 어느 하나를 포함하는 원통형 고체산화물 연료전지 모듈.
5. The method of claim 4,
The conductive metal material is a cylindrical solid oxide fuel cell module comprising any one of nickel (Ni), stainless or steel.
제 1항에 있어서,
상기 금속 펠트층은 니켈(Ni) 펠트층인 원통형 고체산화물 연료전지 모듈.
The method of claim 1,
Wherein the metal felt layer is a nickel (Ni) felt layer cylindrical solid oxide fuel cell module.
제 1항에 있어서,
상기 금속성 와이어는 금속, 합금, 금속 및 합금의 혼합물, 또는 금속 산화물 및 금속의 혼합물 중 어느 하나를 포함하는 원통형 고체산화물 연료전지 모듈.
The method of claim 1,
The metallic wire is a cylindrical solid oxide fuel cell module comprising any one of a metal, an alloy, a mixture of metal and alloy, or a mixture of metal oxide and metal.
제 7항에 있어서,
상기 금속성 와이어는 니켈(Ni) 와이어인 원통형 고체산화물 연료전지 모듈.
8. The method of claim 7,
The metallic wire is a nickel (Ni) wire cylindrical solid oxide fuel cell module.
제 1항에 있어서,
상기 금속성 와이어는 Au, Pd, Pt, Ni, Ru, Rh, Ir 또는 이들의 합금 중 어느 하나를 포함하는 원통형 고체산화물 연료전지 모듈.
The method of claim 1,
The metallic wire is a cylindrical solid oxide fuel cell module comprising any one of Au, Pd, Pt, Ni, Ru, Rh, Ir or alloys thereof.
제 1항에 있어서,
상기 내부집전체는 상기 연료극 지지체와 전기적으로 연결되어 상기 연료극 지지체로부터 발생된 전류를 수집하는 원통형 고체산화물 연료전지 모듈.
The method of claim 1,
And the internal current collector is electrically connected to the anode support to collect current generated from the anode support.
제 1항에 있어서,
상기 내부집전체는 상기 금속성 와이어를 상기 금속 펠트층 내주면에 압착시키는 역할을 함과 동시에 집전체로 기능하는 원통형 고체산화물 연료전지 모듈.
The method of claim 1,
The internal current collector serves to compress the metallic wire to the inner peripheral surface of the metal felt layer and at the same time function as a current collector of the cylindrical solid oxide fuel cell module.
단위 셀;
상기 단위 셀 내측에 위치하는 내부집전체를 포함하되,
상기 단위 셀은,
집전체로 기능하는 금속 펠트층, 내부 전류를 수집하는 금속성 와이어를 포함하는 연료극 지지체;
상기 연료극 지지체 외주면에 위치하는 전해질층; 및
상기 전해질층 상에 위치하는 공기극층을 포함하고,
상기 내부집전체는,
상기 금속성 와이어와 접촉하고 전도성 금속물질로 형성되는 다수 개의 봉(rod) 또는 선(wire)을 포함하는 원통형 고체산화물 연료전지.
Unit cell;
Including an internal current collector that is located inside the unit cell,
The unit cell includes:
A fuel cell support including a metal felt layer functioning as a current collector and a metallic wire collecting internal current;
An electrolyte layer positioned on an outer circumferential surface of the anode support; And
It includes a cathode layer located on the electrolyte layer,
The internal current collector,
A cylindrical solid oxide fuel cell comprising a plurality of rods or wires in contact with the metallic wire and formed of a conductive metal material.
제 12항에 있어서,
상기 전도성 금속물질은 니켈(Ni), 스테인레스(stainless) 또는 강철(steel) 중 어느 하나를 포함하는 원통형 고체산화물 연료전지.
13. The method of claim 12,
The conductive metal material is a cylindrical solid oxide fuel cell comprising any one of nickel (Ni), stainless steel or steel.
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