KR101811195B1 - 관형 고체산화물 연료전지용 연결재 및 이를 포함하는 관형 고체산화물 연료전지 스택 - Google Patents

관형 고체산화물 연료전지용 연결재 및 이를 포함하는 관형 고체산화물 연료전지 스택 Download PDF

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Abstract

관형 고체산화물 연료전지들을 서로 전기적으로 연결하는 고체산화물 연료전지용 연결재가 개시된다. 연결재는 제1 전극 접촉홈 및 제2 전극 접촉홈을 구비하는 도전성 몸체부를 포함한다. 제1 전극 접촉부는 몸체부의 상부면에 제1 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하도록 형성되고, 제1 고체산화물 연료전지의 제1 전극과 전기적으로 연결된다. 제2 전극 접촉홈은 몸체부의 하부면에 제2 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하도록 형성되고, 제2 고체산화물 연료전지의 제2 전극과 전기적으로 연결된다.

Description

관형 고체산화물 연료전지용 연결재 및 이를 포함하는 관형 고체산화물 연료전지 스택{INTERCONNECTORS FOR TUBULAR SOLID OXIDE FUEL-CELLS AND STACKS OF TUBULAR SOLID OXIDE FUEL-CELLS HAVING THE SAME}
본 발명은 관형 고체산화물 연료전지용 연결재 및 이를 포함하는 관형 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것이다. 보다 상세하게는 복수의 관형 고체산화물 연료전지를 전기적으로 연결하기 위한 관형 고체산화물 연료전지용 연결재 및 이를 포함하는 관형 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로 제3세대 연료전지라고 불리는 고체산화물 연료전지는 인산형 연료전지(PAFC) 및 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 보다 뒤늦게 개발이 시작되었으나, 급속한 재료기술의 발달로 상기 PAFC 및 MCFC에 이어 가까운 시일내에 실용화에 이를 전망이고, 고체산화물 연료전지의 실용화를 위하여 선진국에서는 기초연구 및 대형화 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
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.
상기와 같은 고체산화물 연료전지는 크게 원통형과 평판형으로 분류될 수 있다. 평판형 고체산화물 연료전지는 원통형에 비하여 스택 자체의 전력밀도가 높은 장점은 있으나, 가스 밀봉문제와 재료들간 열평형계수 차이에 의한 열적 쇼크 등의 문제로 대면적 연료전지의 제조가 어려운 문제점이 있어서, 현재 원통형 고체산화물 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 원통형 고체산화물 연료전지는 공기극 지지체형과 연료극 지지체형으로 분류될 수 있다. 다만, 공기극 지지체형의 경우, 공기극에 사용되는 La, Mn 등의 원료가 매우 고가이고 그 원료인 엘에스엠(LSM, LaSrMnO3)의 제조가 어려워 연료전지의 제조비용이 상승되며, 지지체 역할을 하는 공기극은 세라믹 자체로 이루어져 있기 때문에 단위전지의 기계적 강도가 낮아 충격 등에 약하다는 단점이 지적되고 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 연료극을 지지체로 이용하는 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지가 개발되었다.
연료극 지지체식 고체산화물 연료전지에 사용되는 관 형태의 연료극 지지체는 지지체로서 뿐만 아니라 전극으로서의 요구되는 특성을 만족하면서, 지지체와 전해질층 사이의 반응성이 낮아 공소결이 가능하고, 그 기계적 강도가 높아 안정한 연료전지 스택을 구성할 수 있는 장점이 있다. 원통형 고체산화물 연료전지를 이용하여 고전력을 생성하기 위해서는 원통형 고체산화물 연료전지의 스택을 구성하여야 한다. 이러한, 원통형 고체산화물 연료전지의 스택을 구성하기 위해서는 각 단위전지를 전기적으로 연결하기 위한 연결재 개발이 필수적이다.
본 발명의 일 목적은 관형 고체산화물 연료전지들을 전기적으로 연결하기 위한 관형 고체산화물 연료전지용 연결재를 제공하는 것이다.
본 발명이 다른 목적은 상기의 연결재를 포함하는 관형 고체산화물 연료전지의 스택을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 고체산화물 연료전지용 연결재는 내부에 유로가 형성된 관형 제1 전극, 상기 제1 전극의 양단부 부분이 노출되도록 상기 제1 전극 상부에 순차적으로 적층된 전해질 및 제2 전극을 구비하는 고체산화물 연료전지들을 서로 전기적으로 연결하는 도전성 몸체부를 포함한다. 상기 도전성 몸체부는 제1 전극 접촉홈 및 제2 전극 접촉홈을 포함한다. 상기 제1 전극 접촉홈은 상기 몸체부의 상부면에 제1 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하도록 형성되고, 상기 제1 고체산화물 연료전지의 제1 전극과 전기적으로 연결된다. 상기 제2 전극 접촉홈은 상기 몸체부의 하부면에 제2 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하도록 형성되고, 상기 제2 고체산화물 연료전지의 제2 전극과 전기적으로 연결된다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 제1 전극 접촉홈은 전극접촉부 및 전극수용부를 포함할 수 있다. 상기 전극접촉부는 제1 직경의 반원 형상의 단면을 갖고, 상기 노출된 제1 고체산화물 연료전지의 제1 전극을 수용할 수 있다. 상기 전극수용부는 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경의 반원 형상의 단면을 갖고, 상기 제1 고체산화물 연료전지의 제2 전극을 수용할 수 있다. 상기 전극수용부에는 절연막이 형성될 수 있다. 상기 제2 전극 접촉홈은 상기 제2 직경과 동일하거나 상기 제2 직경보다 작은 제3 직경의 반원 형상의 단면을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 몸체부는 제1 관통홀 및 제2 관통홀을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 관통홀은 상기 몸체부를 관통하도록 형성되고, 인접한 상기 제1 전극 접촉홈의 제1 단부와 상기 제2 전극 접촉홈의 제1 단부와 연결될 수 있다. 상기 제1 관통홀은 상기 몸체부를 관통하도록 형성되고, 인접한 상기 제1 전극 접촉홈의 제2 단부와 상기 제2 전극 접촉홈의 제2 단부와 연결될 수 있다. 또한, 상기 몸체부는 상기 제1 및 제2 고체산화물 연료전지의 상기 제2 전극들의 적어도 일부분이 위치하는 부분에 상기 몸체부를 관통하도록 형성된 제3 관통홀을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 몸체부는 상기 제3 관통홀의 대향하는 양단부를 연결하도록 형성되고, 상기 제2 관형 고체산화물 연료전지의 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 전극 접촉바를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 고체산화물 연료전지 스택은 제1 및 제2 고체산화물 연료전지 및 중간 연결재를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 고체산화물 연료전지 각각은 내부에 유로가 형성된 관형 제1 전극, 상기 제1 전극의 양단부 부분이 노출되도록 상기 제1 전극 상부에 순차적으로 적층된 전해질 및 제2 전극을 구비할 수 있다. 상기 중간 연결재는 상부면에 상기 제1 고체산화물 연료전지를 수용하는 제1 전극 접촉홈이 형성되고, 하부면에 상기 제2 고체산화물 연료전지를 수용하는 제2 전극 접촉홈이 형성된 제1 몸체부를 구비할 수 있다. 상기 제1 전극 접촉홈은 상기 제1 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하여 상기 제1 고체산화물 연료전지의 노출된 제1 전극 부분과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 전극 접촉홈은 상기 제2 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하여 상기 제2 고체산화물 연료전지의 제2 전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 고체산화물 연료전지 스택은 상부 연결재 및 하부 연결재를 더 포함할 수 있다. 상기 상부 연결재는 상기 제1 전극 접촉홈과 함께 상기 제1 고체산화물 연료전지를 수용하고, 상기 제1 고체산화물 연료전지의 제2 전극과 전기적으로 연결된 제3 전극 접촉홈이 형성된 제2 몸체부를 구비할 수 있다. 상기 하부 연결재는 상기 제2 전극 접촉홈과 함께 상기 제2 고체산화물 연료전지를 수용하고, 상기 제2 고체산화물 연료전지의 제1 전극과 전기적으로 연결된 제4 전극 접촉홈이 형성된 제3 몸체부를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시에들에 있어서, 상기 제1 몸체부는 상기 제1 및 제2 고체산화물 연료전지의 내부 유로와 연결된 제1 관통홀을 포함하고, 상기 제2 몸체부는 상기 제1 관통홀과 연결되는 제1 기체홈을 포함하며, 상기 제3 몸체부는 상기 제1 관통홀과 연결되는 제2 기체홈 및 상기 제2 기체홈에 제1 기체를 주입하기 위한 제1 기체주입구를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 몸체부는 상기 제1 및 제2 고체산화물 연료전지의 제2 전극들이 배치되는 위치에 형성된 제2 관통홀을 포함하고, 상기 제2 몸체부는 상기 제2 관통홀과 연결된 제3 기체홈을 포함하며, 상기 제3 몸체부는 상기 제2 관통홀과 연결된 제4 기체홈 및 상기 제4 기체홈에 제2 기체를 주입하기 위한 제2 기체 주입구를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 고체산화물 연료전지 스택은 상기 중간 연결재와 상기 상부 연결재 사이에 배치되어 상기 중간 연결재와 상기 상부 연결재를 절연시키는 제1 절연부재 및 상기 중간 연결재와 상기 하부 연결재 사이에 배치되어 상기 중간 연결재와 상기 하부 연결재를 절연시키는 제2 절연부재를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 연결재에 형성된 전극 접촉홈에 관형 고체산화물 연료전지를 수용시킴으로써, 안정적인 고체산화물 연료전지 스택을 형성할 수 있다. 그리고, 연결재에 수소(H2)가 이동할 수 있는 유로 및 공기가 이동할 수 있는 유로를 형성함으로써, 밀봉이 용이한 고체산화물 연료전지 스택을 형성할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 연결재를 이용하여 고체산화물 연료전지 스택을 형성하는 경우, 집전을 위한 추가적인 구성이 불필요할 뿐만 아니라, 스택 조립 공정이 단순화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 관형 고체산화물 연료전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 중간 연결재를 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 상부 연결재를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 하부 연결재를 설명하기 위한 사시도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예 2에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 적용되는 중간 연결재를 도시한 사시도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예 3에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 적용되는 중간 연결재를 도시한 사시도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예 4에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 적용되는 중간 연결재를 도시한 사시도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예 5에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 적용되는 중간 연결재를 도시한 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 관형 고체산화물 연료전지용 연결재 및 이를 포함하는 관형 고체산화물 연료전지 스택에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
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 명세서 상에 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.
한편, 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 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택을 설명하기 위한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 관형 고체산화물 연료전지를 설명하기 위한 단면도이다. 도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 중간 연결재를 설명하기 위한 사시도이고, 도 4는 도 1에 도시된 상부 연결재를 설명하기 위한 사시도이며, 도 5는 도 1에 도시된 하부 연결재를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)은 상부 연결재(20), 하부 연결재(30), 상부 연결재(20)와 하부 연결재(30) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 중간 연결재(100), 상부 연결재(20)와 중간 연결재(100) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a), 하부 연결재(30)와 중간 연결재(100) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)를 포함한다.
제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)와 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)는 실질적으로 동일 또는 유사한 구성을 갖고 있으므로, 이하에서는 관형 고체산화물 연료전지(10)를 설명하는 것으로써 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지(10a, 10b)에 대한 설명을 대신한다. 본 명세서에 있어서, '관형 고체산화물 연료전지'라 함은 단면이 폐루프(closed loop)를 형성하는 모든 형상의 고체산화물 연료전지를 포함한다. 예를 들면, '관형 고체산화물 연료전지'라 함은 단면이 원형인 원통형 고체산화물 연료전지뿐만 아니라 단면이 타원형인 고체산화물 연료전지 및 평관형 고체산화물 연료전지도 포함하고, 나아가 단면이 사각형 등 다각형인 고체산화물 연료전지도 포함한다.
본 발명의 실시예 1에 적용되는 관형 고체산화물 연료전지(10)는 내부에 유로가 형성된 관형의 제1 전극(11), 제1 전극(11) 상부에 적층된 전해질(13) 및 전해질(13) 상부에 적층된 제2 전극(15)을 포함할 수 있다. 전해질(13)은 산소 이온 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 전해질(13)은 높은 이온 전도성, 우수한 산화-환원 분위기에서의 안정성 및 우수한 기계적 특성을 갖는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ: Yttria-Stabilized Zirconia), (La, Sr)(Ga, Mg)O3, Ba(Zr,Y)O3, GDC(Gd doped CeO2), YDC(Y2O3 doped CeO2) 등과 같은 세라믹 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 내부에 유로가 형성된 관형의 제1 전극(11)은 연료극이고, 전해질(13) 상부에 적층된 제2 전극(15)은 공기극일 수 있다. 예를 들면, 관형 고체산화물 연료전지(10)는 연료극지지체형 고체산화물 연료전지일 수 있다. 이 경우, 연료 가스는 연료극의 내부 유로를 통해 공급되고, 산소를 포함하는 공기는 외곽층인 공기극의 표면을 통해 공급될 수 있다. 연료극의 내부 유로에 공급되는 연료 가스로는 수소(H2)가 사용될 수 있다. 연료극의 내부 유로를 통하여 공급된 수소(H2)는 연료극 내부를 통하여 전해질(13)에 인접한 부분까지 이동하게 된다. 공기극에 공급된 공기는 산소의 환원 반응을 통해 산소이온을 생성한다. 공기극에서 생성된 산소이온은 전해질(13)을 통해 연료극으로 이동하고, 연료극으로 이동된 산소이온과 연료극에 공급된 수소가 반응함으로써 전기 에너지가 생성된다. 상기와 같이 연료극 내부를 통하여 수소(H2)가 이동할 수 있도록, 연료극은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ: Yttria-Stabilized Zirconia)와 니켈(Ni)의 혼합물을 이용하여 다공질 구조로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기와 같이 공기극을 통하여 산소가 이동할 수 있도록, 공기극은 LSM(Lanthanum strontium manganite), LSCF(Lanthanum strontium cobalt ferrite) 등을 이용하여 다공질 구조로 형성하는 것이 바람직하다. LSM(Lanthanum strontium manganite)은 란탄늄(La), 스트론튬(Sr) 및 망간(Mn)의 복합체이고, LSCF(Lanthanum strontium cobalt ferrite)는 란탄늄(La), 스트론튬(Sr), 코발트(Co) 및 철(Fe)의 복합물이다.
위에서 설명된 실시예와 달리, 본 발명의 다른 실시예에 있어서는, 내부 유로가 형성된 관형의 제1 전극(11)이 공기극이고, 전해질(13) 상부에 적층된 제2 전극(15)이 연료극일 수 있다. 예를 들면, 관형 고체산화물 연료전지(10)는 공기극 지지체형 고체산화물 연료전지일 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여 내부 유로가 형성된 관형의 제1 전극(11)이 연료극이고, 전해질(13) 상부에 적층된 제2 전극(15)이 공기극인 실시예를 중심으로 설명되더라도, 이러한 설명은 내부 유로가 형성된 관형의 제1 전극(11)이 공기극이고, 전해질(13) 상부에 적층된 제2 전극(15)이 연료극인 실시예에도 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 실시예 1에 적용되는 관형 고체산화물 연료전지(10)에 있어서, 전해질(13)은 제1 전극(11)의 양쪽 가장자리 부분이 소정 폭만큼 노출되도록 제1 전극(11) 상부에 형성될 수 있다. 또한, 제2 전극(15)은 전해질(13)의 양쪽 가장자리 부분이 소정 폭만큼 노출되도록 전해질(13)의 상부에 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 관형 고체산화물 연료전지(10)는 노출된 전해질(13) 부분을 감싸는 밀봉부(17)를 더 포함할 수 있다. 밀봉부(17)는 플렉시블한 글라스 실링 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 일례로, 글라스 실링 물질을 시트화 한 후 이를 관형 고체산화물 연료전지(10)에 롤링함으로써, 밀봉부(17)를 형성할 수 있다. 밀봉부(17)는 이후에 설명될 제1 전극 접촉홈(110) 및 제2 전극 접촉홈(120)과 이에 수납되는 관형 고체산화물 연료전지(10) 사이의 공간을 통해 수소 및/또는 산소가 이동하는 것을 방지한다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다.
본 발명의 실시예 1에 적용되는 관형 고체산화물 연료전지(10)에 있어서, 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제1 전극(11)과 연결재의 전기적 연결 성능을 향상시키기 위하여, 노출된 제1 전극(11) 부분을 실버 페이스트로 코팅할 수 있다. 또한, 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극(15)과 연결재의 전기적 연결 성능을 향상시키기 위하여 제2 전극(15) 부분을 도전성 와이어 또는 도전성 메쉬로 감쌀 수 있다. 이하의 설명에 있어서, '특정 부분과 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극(15)이 전기적으로 접촉한다'라고 함은 '특정 부분'과 '관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극(15)'이 직접 접촉하는 경우뿐만 아니라 '특정 부분'과 '관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극(15)에 감겨진 도전성 와이어 또는 도전성 메쉬'가 접촉하는 경우도 포함한다.
본 발명에 적용되는 관형 고체산화물 연료전지(10)는 제1 전극(11)과 전해질(13) 사이, 제2 전극(15)과 전해질(13) 사이, 제2 전극(15)의 상부 또는 제1 전극(11)의 내부에 형성된 다양한 기능층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이러한 기능층은 전지의 효율 향상을 위해 필요에 따라 형성될 수 있다.
중간 연결재(100)는 상부 연결재(20)와 중간 연결재(100) 사이에 배치된 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제1 전극(11)과 하부 연결재(30)와 중간 연결재(100) 사이에 배치된 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15)을 전기적으로 연결한다. 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)가 복수개이고 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)가 복수개인 경우, 중간 연결재(100)는 또한 복수의 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제1 전극들(11)을 서로 전기적으로 연결할 뿐만 아니라 복수의 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극들(15)을 서로 전기적으로 연결한다. 즉, 중간 연결재(100)에 의해 병렬로 연결된 복수의 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a) 및 병렬로 연결된 복수의 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b)이 직렬로 연결되는 것이다. 도면에는 설명의 편의를 위하여 하나의 중간 연결재(100)만 도시되어 있으나, 상부 연결재(20)와 하부 연결재(30) 사이에는 복수의 중간 연결재(100)가 배치될 수 있고, 중간 연결재(100)의 개수는 필요에 따라 적절하게 조정될 수 있다.
제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10a, 10b)을 전기적으로 연결하기 위하여, 중간 연결재(100)는 도전성 제1 몸체부(100a)를 포함한다. 일례로, 제1 몸체부(100a)는 도전성 물질로만 형성될 수 있다. 이와 달리, 제1 몸체부(100a)는 절연성 베이스 표면에 도전성 물질을 코팅하여 형성될 수도 있다. 제1 몸체부(100a)는 서로 대향하는 상, 하부면 및 이들을 연결하는 측면들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 몸체부(100a)는 직육면체 형상을 가질 수 있다.
제1 몸체부(100a)는 적어도 하나 이상의 제1 전극 접촉홈(110), 적어도 하나 이상의 제2 전극 접촉홈(120), 두 개의 제1 관통홀들(130) 및 제2 관통홀(140)을 포함한다.
제1 전극 접촉홈(110)은 상부 연결재(20)와 마주보는 제1 몸체부(100a)의 상부면에 적어도 하나 이상이 형성된다. 이하에서는 도면에 도시된 바와 같이 3개의 제1 전극 접촉홈(110)이 형성된 것을 예로 들어 설명한다. 제1 전극 접촉홈들(110)은 서로 평행하게 제1 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 전극 접촉홈들(110)은 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 따라 배열된다. 제1 전극 접촉홈들(110)에 수용되는 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a)이 서로 동일한 크기 및 동일한 구조를 갖는 경우, 제1 전극 접촉홈들(110) 역시 서로 동일한 크기 및 동일한 구조를 갖도록 형성된다. 즉, 제1 전극 접촉홈(110)의 크기 및 구조는 이에 수용되는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 크기 및 구조에 따라 변경될 수 있다. 예를 들면, 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)가 원형의 단면을 갖는 경우, 제1 전극 접촉홈(110)은 반원형의 단면 형상을 가질 수 있다.
제1 전극 접촉홈들(110) 각각은 서로 이격된 두 개의 제1 관통홀(130) 중 좌측에 위치한 제1 관통홀(130a)에 연결된 제1 단부 및 우측에 위치한 제1 관통홀(130b)에 연결된 제2 단부를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 전극 접촉홈들(110) 각각은 제1 단부로부터 소정 폭만큼 형성된 좌측 전극접촉부(111a), 제2 단부로부터 소정 폭만큼 형성된 우측 전극접촉부(111b) 및 좌측 전극접촉부(111a)와 우측 전극접촉부(111b) 사이에 형성된 전극수용부(113)를 포함할 수 있다. 제1 전극 접촉홈(110)의 좌측 전극접촉부(111a)에는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 좌측 단부 부분, 즉, 노출된 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제1 전극(11) 중 좌측에 위치한 제1 전극(11) 부분이 수용된다. 이 경우, 수용된 제1 전극(11) 부분이 제1 전극 접촉홈(110)의 좌측 전극접촉부(111a)에 전기적으로 연결된다. 그리고, 제1 전극 접촉홈(110)의 우측 전극접촉부(111b)에는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 우측 단부 부분, 즉, 노출된 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제1 전극(11) 중 우측에 위치한 제1 전극(11) 부분이 수용된다. 이 경우, 수용된 제1 전극(11) 부분이 제1 전극 접촉홈(110)의 우측 전극접촉부(111b)에 전기적으로 연결된다. 본 발명의 일 실시예에서, 제1 전극 접촉홈(110)의 전극접촉부(111)가 산화되는 것을 방지하고 제1 전극 접촉홈(110)의 전극접촉부(111)와 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제1 전극(11) 사이의 전기적 연결 성능을 향상하기 위하여, 제1 전극 접촉홈(110)의 전극접촉부(111)에 도전성 산화 방지막(미도시)이 형성될 수 있다. 도전성 산화 방지막은 산화가 잘 되지 않는 금속계 박막 또는 전도성 세라믹 박막일 수 있다. 상기 금속계 박막은 Ag, Pt 등의 귀금속, Ni, Ni-Co 합금, Mn-Co 합금 등을 증착, 도금 또는 코팅하여 형성되거나, 상기 금속 성분들을 포함하는 페이스트를 도포하여 형성될 수 있다. 상기 전도성 세라믹 박막은 페라이트계 LSM, 스피넬계 (Mn,Cr)304, (Mn,Co)304 등을 코팅하거나 상기 세라믹 성분을 포함하는 페이스트를 도포하여 형성될 수 있다.
제1 전극 접촉홈(110)의 전극수용부(113)에는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 밀봉부(17)가 형성된 부분 및 제2 전극(15)이 형성된 부분의 적어도 일부가 수용된다. 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)가 원형의 단면을 갖는 경우, 제1 전극 접촉홈(110)은 이에 대응하는 반원 형상의 단면을 갖도록 형성된다. 제1 전극(11)의 상부에 전해질(13)이 적층되고 전해질(13) 상부에 밀봉부(17) 및 제2 전극(15)이 적층되므로, 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 밀봉부(17) 및 제2 전극(15)이 형성된 부분의 외부 직경은 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 제1 전극(11)이 노출된 부분의 외부 직경보다 크다. 따라서, 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 노출된 제1 전극(11) 부분이 수용되는 제1 전극 접촉홈(110)의 좌/우측 전극접촉부(111a, 111b)는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 밀봉부(17)가 형성된 부분 및 제2 전극(15)이 형성된 부분을 수용하는 전극수용부(113)보다 작은 직경을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 전극수용부(113)에 수용되는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 제2 전극(15) 부분은 제1 몸체부(100a)와 전기적으로 절연되어야 하므로, 전극수용부(113) 단면의 직경은 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 제2 전극(15)이 형성된 부분의 직경보다 큰 것이 바람직하다. 구체적으로, 제1 전극 접촉홈(110) 중 전극수용부(113)와 이에 수용되는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15) 부분이 서로 이격되도록 전극수용부(113)의 단면 직경을 정할 수 있다. 즉, 제1 전극 접촉홈(110) 중 전극수용부(113)와 이에 수용되는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15) 부분을 이격시킴으로써, 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15)과 제1 몸체부(100a)를 절연시키는 것이다. 이와 달리, 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15)과 제1 몸체부(100a)를 절연시키기 위하여, 제1 전극 접촉홈(110) 중 전극수용부(113)에 절연막을 형성할 수도 있다.
제2 전극 접촉홈(120)은 하부 연결재(30)와 마주보는 제1 몸체부(100a)의 하부면에 적어도 하나 이상이 형성된다. 이하에서는 도면에 도시된 바와 같이 3개의 제2 전극 접촉홈(120)이 형성된 것을 예로 들어 설명한다. 제2 전극 접촉홈들(120)은 서로 평행하게 제1 방향으로 연장되도록 형성된다. 이 경우, 제2 전극 접촉홈들(120)은 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 따라 배열된다. 일례로, 제2 전극 접촉홈들(120)은 제1 전극 접촉홈들(110)이 형성된 위치에 대응하여 직접 아래 부분에 형성될 수 있다. 이와 달리, 제2 전극 접촉홈들(120)은 제1 전극 접촉홈들(110)과 엇갈린 위치에 형성될 수도 있다. 제2 전극 접촉홈들(120)에 수용되는 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b)이 서로 동일한 크기 및 동일한 구조를 갖는 경우, 제2 전극 접촉홈들(120) 역시 서로 동일한 크기 및 동일한 구조를 갖도록 형성된다. 즉, 제2 전극 접촉홈(120)의 크기 및 구조는 이에 수용되는 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 크기 및 구조에 따라 변경될 수 있다. 예를 들면, 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)가 원형의 단면을 갖는 경우, 제2 전극 접촉홈(120)은 반원 형태의 단면 형상을 가질 수 있다.
제2 전극 접촉홈들(120) 각각은 서로 이격된 두 개의 제1 관통홀(130) 중 좌측에 위치한 제1 관통홀(130a)에 연결된 제1 단부 및 우측에 위치한 제1 관통홀(130b)에 연결된 제2 단부를 포함할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 전극 접촉홈들(110, 120)의 제1 단부들은 좌측에 위치한 제1 관통홀(130a)에 연결되고, 제2 단부들은 우측에 위치한 제1 관통홀(130b)에 연결될 수 있다. 제1 전극 접촉홈들(110)과 달리, 제2 전극 접촉홈들(120) 각각은 일정한 직경을 갖는 반원형 홈일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제1 전극(11)의 상부에 전해질(13)이 적층되고 전해질(13) 상부에 밀봉부(17) 및 제2 전극(15)이 적층되므로, 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 밀봉부(17) 및 제2 전극(15)이 형성된 부분의 외부 직경은 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 제1 전극(11)이 노출된 부분의 외부 직경보다 크다. 따라서, 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b)이 제2 전극 접촉홈들(120)에 각각 수용되는 경우, 제2 전지가 형성된 부분은 제2 전극 접촉홈(120)의 바닥면과 접촉하게 되나, 노출된 제1 전극(11)은 제2 전극 접촉홈(120)의 바닥면과 이격되게 된다. 즉, 제2 전극 접촉홈들(120)에 수용된 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15)은 제1 몸체부(100a)와 전기적으로 연결되나, 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제1 전극(11)은 제1 몸체부(100a)와 절연된다. 이를 위해, 제2 전극 접촉홈(120) 단면의 직경은 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 제2 전극(15)이 형성된 부분의 직경보다 크거나 같고, 제1 전극 접촉홈(110) 중 전극수용부(113)의 단면 직경과 동일하거나 이보다 작을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 전극 접촉홈(120) 중 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15) 부분과 접촉하는 부분이 산화되는 것을 방지하고 제2 전극 접촉홈(120)과 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15) 사이의 전기적 연결 성능을 향상하기 위하여, 제2 전극 접촉홈(120) 중 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15)과 접촉하는 부분에는 도전성 산화 방지막(미도시)이 형성될 수 있다. 도전성 산화 방지막은 산화가 잘 되지 않는 금속계 박막 또는 전도성 세라믹 박막일 수 있다. 상기 금속계 박막은 Ag, Pt 등의 귀금속, Ni, Ni-Co 합금, Mn-Co 합금 등을 증착, 도금 또는 코팅하여 형성되거나, 상기 금속 성분들을 포함하는 페이스트를 도포하여 형성될 수 있다. 상기 전도성 세라믹 박막은 페라이트계 LSM, 스피넬계 (Mn,Cr)304, (Mn,Co)304 등을 코팅하거나 상기 세라믹 성분을 포함하는 페이스트를 도포하여 형성될 수 있다. 또한, 제1 몸체부(100a)와 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제1 전극(11)을 확실하게 절연시키기 위하여, 제2 전극 접촉홈(120) 중 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 노출된 제1 전극(11)이 위치하는 부분에는 절연막(미도시)이 형성될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 두 개의 제1 관통홀들(130) 중 좌측에 위치한 제1 관통홀(130a)은 제1 및 제2 전극 접촉홈들(110, 120)의 제1 단부들에 인접하게 형성되어 제1 단부들 모두에 공간적으로 연결되고, 두 개의 제1 관통홀들(130) 중 우측에 위치한 제1 관통홀(130b)은 제1 및 제2 전극 접촉홈들(110, 120)의 제2 단부들에 인접하게 형성되어 제2 단부들 모두에 공간적으로 연결될 수 있다. 즉, 제1 전극 접촉홈들(110)에 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)가 수용되고 제2 전극 접촉홈들(120)에 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)가 수용된 경우, 두 개의 제1 관통홀들(130)과 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10a, 10b)의 내부 유로를 통해 제1 기체가 이동할 수 있다. 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b) 각각은 양쪽 단부에 인접하게 밀봉부(17)가 형성되어 있으므로, 본 발명의 실시예에 따른 관형 고체산화물 연료전지 스택(1000)에 있어서는, 두 개의 제1 관통홀들(130)은 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지(10a, 10b)의 내부 유로를 통해서만 서로 연결되게 된다. 일례로, 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지(10a, 10b) 중 내부 유로를 갖는 관형 제1 전극(11)이 연료극인 경우, 상기 제1 기체는 고체산화물 연료전지의 연료인 수소(H2)일 수 있다. 이와 달리, 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지(10a, 10b) 중 내부 유로를 갖는 관형 제1 전극(11)이 공기극인 경우, 상기 제1 기체는 산소를 포함하는 공기일 수 있다.
제2 관통홀(140)은 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10a, 10b) 중 제2 전극(15)이 위치하는 부분에 제1 몸체부(100a)를 관통하도록 형성될 수 있다. 제2 관통홀(140)은 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지(10a, 10b) 중 제2 전극(15)에 제2 기체를 공급하기 위한 유로를 제공할 수 있다. 일례로, 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지(10a, 10b) 중 내부 유로를 갖는 관형 제1 전극(11)이 연료극이고 제2 전극(15)이 공기극인 경우, 제2 기체는 산소를 포함하는 공기일 수 있다. 이와 달리, 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지(10a, 10b) 중 내부 유로를 갖는 관형 제1 전극(11)이 공기극이고 제2 전극(15)이 연료극인 경우, 제2 기체는 관형 고체산화물 연료전지(10)의 연료인 수소(H2)일 수 있다. 제1 및 제2 전극 접촉홈들(110, 120)이 연장되는 방향으로의 제2 관통홀(140)의 폭은 제2 전극(15)에 대한 제2 기체의 공급 효율과 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15)과 제2 전극 접촉홈(120)의 전기적 접촉 면적을 고려하여 적절하게 조절할 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 제2 관통홀(140)에 의하여 제1 및 제2 전극 접촉홈들(110, 120) 각각은 서로 이격된 두 개의 부분으로 분리될 수 있다.
제1 몸체부(100a)는 적어도 둘 이상의 제1 체결홀들(150)을 더 포함할 수 있다. 제1 체결홀들(150)은 제1 몸체부(100a)를 관통하도록 형성된다. 일례로, 제1 체결홀들(150)은 도면에 도시된 바와 같이 제1 몸체부(100a)의 모서리 부분에 하나씩 4개가 형성될 수 있다. 이와 달리, 제1 체결홀(150)은 제1 몸체부(100a)의 좌측 가장자리와 좌측 제1 관통홀(130a) 사이에 그리고 제1 몸체부(100a)의 우측 가장자리와 우측 제1 관통홀(130b) 사이에 하나씩 형성될 수도 있다. 제1 체결홀(150)에는 이 후에 설명될 체결바(미도시)가 삽입될 수 있다. 체결바를 제1 체결홀(150)에 삽입하여 고체산화물 연료전지 스택을 형성하는 경우, 고체산화물 연료전지를 수용하는 각 연결재를 용이하게 정렬할 수 있어서 스택 조립이 쉬어지고, 연결재 정렬 후 체결바를 볼트 등을 이용하여 고정함으로써 안정적인 고체산화물 연료전지 스택을 형성할 수 있게 한다.
상부 연결재(20)는 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a)의 제2 전극들(15)에 전기적으로 연결되고, 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a)의 제2 전극들(15)을 외부와 연결하기 위한 전극 단자로서 기능한다. 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극들(15)을 전기적으로 연결하기 위하여, 상부 연결재(20)는 도전성 제2 몸체부(20')를 포함한다. 일례로, 제2 몸체부(20')는 도전성 물질로만 형성될 수 있다. 이와 달리, 제2 몸체부(20')는 절연성 베이스 표면에 도전성 물질을 코팅하여 형성될 수도 있다. 제2 몸체부(20')는 중간 연결재(100)와 마주보는 하부면, 하부면에 대향하는 상부면 및 하부면과 상부면을 연결하는 측면들로 이루어진 직육면체 형상을 가질 수 있다.
제2 몸체부(20')는 적어도 하나 이상의 제3 전극 접촉홈(21), 두 개의 제1 기체홈(22) 및 제2 기체홈(23)을 포함할 수 있다. 제2 몸체부(20')는 제1 기체 주입구(24) 및 제2 기체 주입구(25) 중 적어도 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 또한, 제2 몸체부(20')는 제2 체결홀(26)을 더 포함할 수도 있다.
제3 전극 접촉홈들(21)은 중간 연결재(100)와 마주보는 제2 몸체부(20')의 하부면에 형성되고, 중간 연결재(100)의 제1 전극 접촉홈들(110)과 함께 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a)을 수용한다. 제3 전극 접촉홈들(21)은 중간 연결재(100)에 형성된 제1 전극 접촉홈들(110)과 각각 마주보도록 형성된다. 즉, 제3 전극 접촉홈들(21)은 서로 평행하게 제1 방향으로 연장되도록 형성된다. 이 경우, 제3 전극 접촉홈들(21)은 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 배열된다. 제1 전극 접촉홈들(110)에 수용되는 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a)이 서로 동일한 크기 및 동일한 구조를 갖는 경우, 제3 전극 접촉홈들(21) 역시 서로 동일한 크기 및 동일한 구조를 갖도록 형성된다. 제3 전극 접촉홈들(21) 각각은 반원 형태의 단면 형상을 가질 수 있다.
제3 전극 접촉홈들(21) 각각은 서로 이격된 두 개의 제1 기체홈(22) 중 좌측에 위치한 제1 기체홈(22a)에 연결된 제1 단부 및 우측에 위치한 제1 기체홈(22b)에 연결된 제2 단부를 포함할 수 있다. 제3 전극 접촉홈들(21)은 일정한 직경을 갖는 반원형 홈일 수 있다. 예를 들면, 제3 전극 접촉홈들(21) 각각은 중간 연결재(100)에 형성된 제2 전극 접촉홈(120)과 동일한 직경을 갖는 반원형 홈일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제1 전극(11)의 상부에 전해질(13)이 적층되고 전해질(13) 상부에 밀봉부(17) 및 제2 전극(15)이 적층되므로, 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 밀봉부(17) 및 제2 전극(15)이 형성된 부분의 외부 직경은 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 제1 전극(11)이 노출된 부분의 외부 직경보다 크다. 따라서, 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a)이 제3 전극 접촉홈들(21)에 각각 수용되는 경우, 제2 전지가 형성된 부분은 제3 전극 접촉홈(21)의 바닥면과 접촉하게 되나, 노출된 제1 전극(11)은 제3 전극 접촉홈(21)의 바닥면과 이격되게 된다. 즉, 제3 전극 접촉홈들(21)에 수용된 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15)은 제2 몸체부(20')와 전기적으로 연결되나, 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제1 전극(11)은 제2 몸체부(20')와 절연된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제3 전극 접촉홈(21) 중 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15)부분과 접촉하는 부분이 산화되는 것을 방지하고 제3 전극 접촉홈(21)과 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15) 사이의 전기적 연결 성능을 향상하기 위하여, 제3 전극 접촉홈(21) 중 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15)과 접촉하는 부분에는 도전성 산화 방지막(미도시)이 형성될 수 있다. 도전성 산화 방지막은 산화가 잘 되지 않는 금속계 박막 또는 전도성 세라믹 박막일 수 있다. 상기 금속계 박막은 Ag, Pt 등의 귀금속, Ni, Ni-Co 합금, Mn-Co 합금 등을 증착, 도금 또는 코팅하여 형성되거나, 상기 금속 성분들을 포함하는 페이스트를 도포하여 형성될 수 있다. 상기 전도성 세라믹 박막은 페라이트계 LSM, 스피넬계 (Mn,Cr)304, (Mn,Co)304 등을 코팅하거나 상기 세라믹 성분을 포함하는 페이스트를 도포하여 형성될 수 있다. 또한, 제2 몸체부(20')와 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제1 전극(11)을 확실하게 절연시키기 위하여, 제3 전극 접촉홈(21) 중 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 노출된 제1 전극(11)이 위치하는 부분에는 절연막(미도시)이 형성될 수 있다.
제2 몸체부(20')의 두 개의 제1 기체홈들(22)은 중간 연결재(100)에 형성된 두 개의 제1 관통홀(130)에 각각 대응하는 위치에 형성되고, 제1 관통홀(130)과 함께 제1 기체가 이동하는 유로를 제공한다. 제2 몸체부(20')의 두 개의 제1 기체홈(22) 중 좌측 제1 기체홈(22a)은 제3 전극 접촉홈들(21)의 제1 단부들에 인접하게 배치되어 이들에 연결되고, 우측 제1 기체홈(22b)은 제3 전극 접촉홈들(21)의 제2 단부들에 인접하게 배치되어 이들에 연결될 수 있다. 제2 몸체부(20')의 두 개의 제1 기체홈들(22)과 중간 연결재(100)에 형성된 두 개의 제1 관통홀들(130)은 각각 서로 동일한 평면적을 갖도록 형성될 수 있다. 다만, 중간 연결재(100)의 제1 관통홀들(130)과 달리, 제2 몸체부(20')의 두 개의 제1 기체홈들(22)은 제2 몸체부(20')를 관통하지 않도록 형성될 수 있다.
제2 몸체부(20')의 제2 기체홈(23)은 중간 연결재(100)에 형성된 제2 관통홀(140)에 대응하는 위치에 형성되고, 제2 관통홀(140)과 함께 제2 기체가 이동하는 유로를 제공한다. 즉, 제2 몸체부(20')의 제2 기체홈(23)은 제2 몸체부(20') 중 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15)이 위치하는 부분에 형성될 수 있다. 제2 몸체부(20')의 제2 기체홈(23)은 중간 연결재(100)에 형성된 제2 관통홀(140)과 동일한 평면적을 갖도록 형성될 수 있다. 다만, 중간 연결재(100)의 제2 관통홀(140)과 달리, 제2 몸체부(20')의 제2 기체홈(23)은 제2 몸체부(20')를 관통하지 않도록 형성될 수 있다. 제3 전극 접촉홈들(21)이 연장되는 방향으로의 제2 기체홈(23)의 폭은 제2 기체의 공급 효율과 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15)과 제3 전극 접촉홈(21)의 전기적 접촉 면적을 고려하여 적절하게 조절할 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 제2 기체홈(23)에 의하여 제3 전극 접촉홈들(21) 각각은 서로 이격된 두 개의 부분으로 분리될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 기체홈(23) 바닥면에는 제1 방향으로 연장되고, 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a)의 제2 전극들(15)과 각각 전기적으로 접촉하는 막대형 제1 접촉 돌기들(27)이 형성될 수 있다. 이와 달리, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 제2 기체홈(23) 바닥면에는 제2 방향으로 연장되고, 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a)의 제2 전극들(15) 모두와 전기적으로 접촉하는 막대형 제2 접촉 돌기들(미도시)이 형성될 수 있다. 이와 같이, 제2 기체홈(23) 바닥면에 제1 접촉 돌기들(27) 또는 제2 접촉 돌기들을 형성되는 경우, 상부 연결재(20)와 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극들(15) 사이의 접촉 면적을 증가시킬 수 있다.
제1 기체 주입구(24)는 제2 몸체부(20')의 측면들 중 제3 전극 접촉홈들(21)의 일단부들과 마주보는 측면에 형성될 수 있다. 제1 기체 주입구(24)는 제1 기체홈(22)에 연결되고, 관형 고체산화물 연료전지(10)의 내부 유로에 공급되는 제1 기체를 주입하기 위한 통로를 제공한다.
제2 기체 주입구(25)는 제2 몸체부(20')의 측면들 중 제2 기체홈(23)에 인접한 측면에 형성될 수 있다. 제2 기체 주입구(25)는 제2 기체홈(23)에 연결되고, 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극(15)에 공급되는 제2 기체를 주입하기 위한 통로를 제공한다.
제2 몸체부(20')에는 제1 기체 주입구(24)와 제2 기체 주입구(25)가 모두 형성될 수도 있으나, 이들 중 하나만 형성되고, 나머지 하나는 이하에서 설명될 하부 연결재(30)에 형성될 수도 있다.
제2 몸체부(20')는 제1 몸체부(100a)에 형성된 제1 체결홀들(150)과 각각 연결되는 제2 체결홀들(26)을 포함할 수 있다. 제2 체결홀들(26)은 제1 체결홀(150)에 대응하는 위치에 제2 몸체부(20')를 관통하도록 형성될 수 있다. 제1 및 제2 체결홀(150, 26)에는 이후 설명될 체결바가 삽입될 수 있다.
하부 연결재(30)는 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b)의 제1 전극들(11)과 전기적으로 연결되고, 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b)의 제1 전극들(11)을 외부와 연결하기 위한 전극 단자로서 기능한다. 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b)의 제1 전극들(11)을 전기적으로 연결하기 위하여, 하부 연결재(30)는 도전성 제3 몸체부(30')를 포함한다. 일례로, 제3 몸체부(30')는 도전성 물질로만 형성될 수 있다. 이와 달리, 제3 몸체부(30')는 절연성 베이스 표면에 도전성 물질을 코팅하여 형성될 수도 있다. 제3 몸체부(30')는 중간 연결재(100)와 마주보는 상부면, 상부면에 대향하는 하부면 및 상부면과 하부면을 연결하는 측면들로 이루어진 직육면체 형상을 가질 수 있다.
제3 몸체부(30')는 적어도 하나 이상의 제4 전극 접촉홈(31), 두 개의 제3 기체홈(32) 및 제4 기체홈(33)을 포함하루 수 있다. 제3 몸체부(30')는 제3 체결홀(36)을 더 포함할 수 있다. 또한, 제2 몸체부(20')에 제1 및 제2 기체 주입구(24, 25)가 형성되지 않은 경우, 제3 몸체부(30')는 제3 및 제4 기체 주입구(34, 35)를 더 포함할 수 있다.
제4 전극 접촉홈들(31)은 중간 연결재(100)와 마주보는 제3 몸체부(30')의 상부면에 형성되고, 중간 연결재(100)의 제2 전극 접촉홈들(120)과 함께 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b)을 수용한다. 제4 전극 접촉홈들(31)은 중간 연결재(100)에 형성된 제2 전극 접촉홈들(120)과 각각 마주보도록 형성된다. 즉, 제4 전극 접촉홈들(31)은 서로 평행하게 제1 방향으로 연장되도록 형성된다. 이 경우, 제4 전극 접촉홈들(31)은 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 배열된다. 제2 전극 접촉홈들(120)에 수용되는 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b)이 서로 동일한 크기 및 동일한 구조를 갖는 경우, 제4 전극 접촉홈들(31) 역시 서로 동일한 크기 및 동일한 구조를 갖도록 형성된다. 제4 전극 접촉홈들(31) 각각은 반원 형태의 단면 형상을 가질 수 있다.
제4 전극 접촉홈들(31) 각각은 서로 이격된 두 개의 제3 기체홈(32) 중 좌측에 위치한 제3 기체홈(32a)에 연결된 제1 단부 및 우측에 위치한 제3 기체홈(32b)에 연결된 제2 단부를 포함할 수 있다. 이 경우, 제4 전극 접촉홈들(31) 각각은 제1 단부로부터 소정 폭만큼 형성된 좌측 전극접촉부(31a), 제2 단부로부터 소정 폭만큼 형성된 우측 전극접촉부(31c) 및 좌측 전극접촉부(31a)와 우측 전극접촉부(31c) 사이에 형성된 전극수용부(31b)를 포함할 수 있다. 제4 전극 접촉홈(31)의 좌측 전극접촉부(31a)에는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 좌측 단부 부분, 즉, 노출된 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제1 전극(11) 중 좌측에 위치한 제1 전극(11) 부분이 수용된다. 이 경우, 수용된 제1 전극(11) 부분이 제4 전극 접촉홈(31)의 좌측 전극접촉부(31a)에 전기적으로 연결된다. 그리고, 제4 전극 접촉홈(31)의 우측 전극접촉부(31c)에는 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 우측 단부 부분, 즉, 노출된 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제1 전극(11) 중 우측에 위치한 제1 전극(11) 부분이 수용된다. 이 경우, 수용된 제1 전극(11) 부분이 제4 전극 접촉홈(31)의 우측 전극접촉부(31c)에 전기적으로 연결된다. 본 발명의 일 실시예에서, 제4 전극 접촉홈(31) 중 전극접촉부(111)가 산화되는 것을 방지하고 제4 전극 접촉홈(31)의 전극접촉부(31a, 31c)와 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제1 전극(11) 사이의 전기적 연결 성능을 향상하기 위하여, 제4 전극 접촉홈(31)의 전극접촉부(31a, 31c)에 도전성 산화 방지막(미도시)을 형성할 수 있다. 도전성 산화 방지막은 산화가 잘 되지 않는 금속계 박막 또는 전도성 세라믹 박막일 수 있다. 상기 금속계 박막은 Ag, Pt 등의 귀금속, Ni, Ni-Co 합금, Mn-Co 합금 등을 증착, 도금 또는 코팅하여 형성되거나, 상기 금속 성분들을 포함하는 페이스트를 도포하여 형성될 수 있다. 상기 전도성 세라믹 박막은 페라이트계 LSM, 스피넬계 (Mn,Cr)304, (Mn,Co)304 등을 코팅하거나 상기 세라믹 성분을 포함하는 페이스트를 도포하여 형성될 수 있다. 제4 전극 접촉홈(31)의 전극수용부(31b)에는 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 밀봉부(17)가 형성된 부분 및 제2 전극(15)이 형성된 부분의 적어도 일부가 수용된다.
제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)가 원형의 단면을 갖는 경우, 제4 전극 접촉홈(31)은 이에 대응하는 반원 형상의 단면을 갖도록 형성될 수 있다. 제1 전극(11)의 상부에 전해질(13)이 적층되고 전해질(13) 상부에 밀봉부(17) 및 제2 전극(15)이 적층되므로, 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 밀봉부(17) 및 제2 전극(15)이 형성된 부분의 외부 직경은 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 제1 전극(11)이 노출된 부분의 외부 직경보다 크다. 따라서, 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 노출된 제1 전극(11) 부분이 수용되는 제4 전극 접촉홈(31)의 좌측 및 우측 전극접촉부(31a, 31c)는 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 밀봉부(17)가 형성된 부분 및 제2 전극(15)이 형성된 부분을 수용하는 전극수용부(31b)보다 작은 직경을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 전극수용부(31b)에 수용되는 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 제2 전극(15) 부분은 제3 몸체부(30')와 전기적으로 절연되어야 하므로, 전극수용부(31b) 단면의 직경은 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 제2 전극(15)이 형성된 부분의 직경보다 큰 것이 바람직하다. 구체적으로, 제4 전극 접촉홈(31) 중 전극수용부(31b)와 이에 수용되는 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15) 부분이 서로 이격되도록 전극수용부(31b)의 단면 직경을 정할 수 있다. 즉, 제4 전극 접촉홈(31) 중 전극수용부(31b)와 이에 수용되는 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15) 부분을 이격시킴으로써, 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15)과 제3 몸체부(30')를 절연시키는 것이다. 또한, 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15)과 제3 몸체부(30')를 확실하게 절연시키기 위하여, 제4 전극 접촉홈(31) 중 전극수용부에는 절연막(미도시)이 형성될 수 있다.
두 개의 제3 기체홈들(32)은 중간 연결재(100)에 형성된 두 개의 제1 관통홀(130)에 각각 대응하는 위치에 형성되고, 중간 연결재(100)의 제1 관통홀(130) 및 상부 연결재(20)의 제1 기체홈(22)과 함께 제1 기체가 이동하는 유로를 제공한다. 즉, 제3 몸체부(30')의 두 개의 제3 기체홈(32) 중 좌측 제3 기체홈(32a)은 제4 전극 접촉홈들(31)의 제1 단부들에 인접하게 배치되어 이들에 연결되고, 우측 제3 기체홈(32b)은 제4 전극 접촉홈들(31)의 제2 단부들에 인접하게 배치되어 이들에 연결될 수 있다. 두 개의 제3 기체홈들(32)과 두 개의 제1 관통홀들(130)은 각각 서로 동일한 평면적을 갖도록 형성될 수 있다. 다만, 중간 연결재(100)의 제1 관통홀들(130)과 달리, 제3 기체홈들(32)은 제3 몸체부(30')를 관통하지 않도록 형성될 수 있다.
제4 기체홈(33)은 제2 관통홀(140)에 대응하는 위치에 형성되고, 제2 관통홀(140) 및 제2 기체홈(23)과 함께 제2 기체가 이동하는 유로를 제공한다. 즉, 제4 기체홈(33)은 제3 몸체부(30') 중 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15)이 위치하는 부분에 형성될 수 있다. 제4 기체홈(33)은 제2 관통홀(140)과 동일한 평면적을 갖도록 형성될 수 있다. 다만, 중간 연결재(100)의 제2 관통홀(140)과 달리, 제4 기체홈(33)은 제3 몸체부(30')를 관통하지 않도록 형성될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 제4 기체홈(33)에 의하여 제4 전극 접촉홈들(31) 각각은 서로 이격된 두 개의 부분으로 분리될 수 있다.
제3 기체 주입구(34)는 제3 몸체부(30')의 측면들 중 제4 전극 접촉홈들(31)의 일단부들과 마주보는 측면에 형성될 수 있다. 제3 기체 주입구(34)는 제3 기체홈(32)에 연결되고, 관형 고체산화물 연료전지(10)의 내부 유로에 공급되는 제1 기체를 주입하기 위한 통로를 제공한다.
제4 기체 주입구(35)는 제3 몸체부(30')의 측면들 중 제4 기체홈(33)에 인접한 측면에 형성될 수 있다. 제4 기체 주입구(35)는 제4 기체홈(33)에 연결되고, 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극(15)에 공급되는 제2 기체를 주입하기 위한 통로를 제공한다.
제3 몸체부(30')에는 제3 기체 주입구(32)와 제4 기체 주입구(35)가 모두 형성될 수도 있으나, 이들 중 하나만 형성될 수도 있다. 예를 들면, 제2 몸체부(20')에 제1 기체 주입구(24)만 형성된 경우, 제3 몸체부(30')에는 제4 기체 주입구(35)가 형성될 수 있다.
제3 몸체부(30')는 제1 몸체부(100a)에 형성된 제1 체결홀들(150)과 각각 연결되는 제3 체결홀들(36)이 형성될 수 있다. 즉, 제3 체결홀들(36)은 제1 체결홀(150)에 대응하는 위치에 제3 몸체부(30')를 관통하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)은 이웃하는 연결재 사이에 배치되는 절연 밀봉부재(160)를 더 포함할 수 있다. 인접하게 배치되는 두 개의 연결재가 서로 전기적으로 연결되는 경우, 이들 사이에 위치하는 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제1 전극(11)과 제2 전극(15)이 서로 단락되는 문제점이 발생하므로 인접하는 연결재는 서로 절연되어야 한다. 또한, 관형 고체산화물 연료전지 스택(1000) 내부에 주입된 제1 기체 및 제2 기체가 외부로 누설되지 않도록 이웃하는 연결재 사이를 밀봉할 필요가 있다. 절연 밀봉부재(160)는 이웃하는 연결재를 전기적으로 절연시킬 뿐만 아니라 이웃하는 연결재 사이의 틈을 통하여 제1 또는 제2 기체가 고체산화물 연료전지 스택(1000)의 외부로 누설되는 것을 방지한다. 절연 밀봉부재(160)는 이웃하는 연결재 중 하부에 위치하는 연결재의 상부면 가장자리 부분에 피복되거나 상부에 위치하는 연결재의 하부면 가장자리 부분에 피복될 수 있다. 이와 달리, 절연 밀봉부재(160)는 이웃하는 연결재 중 상부에 위치하는 연결재의 가장자리와 하부에 위치하는 연결재의 가장자리 사이에 배치되는 별도의 부재일 수도 있다. 일례로, 절연 밀봉 부재(160)는 상부 연결재(20)와 중간 연결재(100) 사이에 위치하는 제1 절연 밀봉부재(미도시), 중간 연결재(100)와 하부 연결재(30) 사이에 위치하는 제2 절연 밀봉부재(미도시), 둘이상의 중간 연결재(100)가 사용되는 경우에 이들 중간 연결재(100) 사이에 위치하는 제3 절연 밀봉부재(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)은 제1 내지 제3 체결홀(36)에 삽입되는 체결바(미도시)를 더 포함할 수 있다. 체결바는 세라믹 튜브(미도시)를 포함할 수 있다. 체결바로 사용되는 세라믹 튜브에 볼트(미도시)를 삽입한 후 너트(미도시)로 체결하는 경우, 적층된 연결재들(20, 100, 30) 및 이들 사이에 배치된 관형 고체산화물 연료전지들(10)이 안정적으로 고정될 수 있고, 전극 접촉홈과 관형 고체산화물 연료전지(10)의 전극들(11, 15) 사이의 전기적 접촉 신뢰성을 향상할 수 있다.
실시예 2
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예 2에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 적용되는 중간 연결재를 도시한 사시도이다.
도 1, 도 2, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 실시예 2에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)은 상부 연결재(20), 하부 연결재(30), 중간 연결재(200), 상부 연결재(20)와 중간 연결재(200) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a), 하부 연결재(30)와 중간 연결재(200) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b), 절연 밀봉부재(미도시) 및 체결바(미도시)를 포함한다. 실시예 2에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)에 있어서, 중간 연결재(200)를 제외한 나머지 구성은 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)에서 설명된 구성과 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 중간 연결재(200)를 중심으로 설명하고 나머지 구성에 대한 설명은 실시예 1에 대한 설명으로 대신한다.
중간 연결재(200)는 도전성 몸체부(200')를 포함한다. 도전성 몸체부(200')는 제1 전극 접촉홈들(210), 제2 전극 접촉홈들(220), 제1 관통홀들(230), 제2 관통홀(240), 제1 전극 접촉바들(260), 제2 전극 접촉바들(270) 및 제1 체결홀들(250)을 포함한다. 제1 전극 접촉바들(260) 및 제2 전극 접촉바들(270)을 제외한 나머지 구성은 실시예 1에서 설명된 것과 실질적으로 동일 또는 유사하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
제1 전극 접촉바들(260)은 각각 제1 및 제2 전극 접촉홈들(210, 220)이 연장되는 제1 방향으로 따라 제2 관통홀(240)을 가로질러 형성된다. 제1 전극 접촉바들(260)은 제2 전극 접촉홈들(220)에 수용되는 관형 고체산화물 연료전지들(10)의 제2 전극들(17)과 각각 전기적으로 접촉하도록 형성된다. 인접한 제1 전극 접촉바들(260)은 서로 소정 간격만큼 이격되도록 형성되는 것이 바람직하다.
제2 전극 접촉바들(270)은 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향을 따라 제2 관통홀(240)을 가로질러 형성되고, 제2 전극 접촉바들(270) 각각은 제1 전극 접촉바들(260) 모두와 교차하도록 형성된다. 제2 전극 접촉바들(270)은 제2 전극 접촉홈들(220)에 수용되는 관형 고체산화물 연료전지들(10)의 제2 전극들(17) 모두와 전기적으로 접촉하도록 형성된다. 인접한 제2 전극 접촉바들(270)은 서로 소정 간격만큼 이격되도록 형성되는 것이 바람직하다.
이상에서는 제1 전극 접촉바들(260) 및 제2 전극 접촉바들(270)이 함께 형성되는 것으로 설명하였으나, 이들 중 하나만 형성될 수도 있다.
이와 같이 제1 전극 접촉바들(260) 및/또는 제2 전극 접촉바들(270)을 형성하는 경우, 제2 전극 접촉홈들(220)에 수용되는 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극들(17)과 몸체부(200')의 전기적 접촉 면적을 향상시킬 수 있다.
실시예 3
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예 3에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 적용되는 중간 연결재를 도시한 사시도이다.
도 1, 도 2, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명의 실시예 3에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)은 상부 연결재(20), 하부 연결재(30), 중간 연결재(300), 상부 연결재(20)와 중간 연결재(300) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a), 하부 연결재(30)와 중간 연결재(300) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b), 절연 밀봉부재(미도시) 및 체결바(미도시)를 포함한다. 실시예 3에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)에 있어서, 중간 연결재(300)를 제외한 나머지 구성은 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)에서 설명된 구성과 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 중간 연결재(300)를 중심으로 설명하고 나머지 구성에 대한 설명은 실시예 1에 대한 설명으로 대신한다.
중간 연결재(300)는 도전성 몸체부(300')를 포함한다. 도전성 몸체부(300')는 제1 전극 접촉홈들(310), 제2 전극 접촉홈들(320), 제1 관통홀들(330), 제2 기체홈(340), 제2 관통슬릿들(360) 및 제1 체결홀들(350)을 포함한다. 제2 전극 접촉홈들(320), 제2 기체홈(340), 제2 관통슬릿들(360)을 제외한 나머지 구성은 실시예 1에서 설명된 것과 실질적으로 동일 또는 유사하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
제1 전극 접촉홈들(310)이 형성되는 몸체부의 상부면에는 제1 전극 접촉홈들(310) 각각을 이격된 두 개의 부분으로 분리하는 제2 기체홈(340)이 형성된다. 제2 기체홈(340)은 몸체부(300')를 관통하지 않도록 형성된다. 제2 기체홈(340)의 내부에는 제1 및 제2 전극 접촉홈들(310, 320)이 연장되는 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장되는 다수의 제2 관통슬릿들(360)이 형성된다. 다수의 관통슬릿들(360)은 제2 기체가 이동하기 위한 공간을 제공한다. 몸체부(300')의 하부면에는 제2 전극 접촉홈들(320)이 형성되고, 제2 전극 접촉홈들(320)은 제2 관통슬릿들(360)과 만난다. 제2 관통슬릿들(360)이 형성된 영역을 제외하고, 제2 전극 접촉홈들(320)은 일측 단부에서 반대측 단부까지 연속적으로 연장되도록 형성된다.
이와 같이 제2 관통슬릿들(360)이 형성된 영역을 제외한 나머지 영역에서 제2 전극 접촉홈들(320)이 연속적으로 연장되도록 형성되는 경우, 제2 전극 접촉홈들(320)에 수용되는 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극들(17)과 몸체부(300')의 전기적 접촉 면적을 향상시킬 수 있다.
실시예 4
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예 4에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 적용되는 중간 연결재를 도시한 사시도이다.
도1, 도2, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 본 발명의 실시예 4에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)은 상부 연결재(20), 하부 연결재(30), 중간 연결재(400), 상부 연결재(20)와 중간 연결재(400) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a), 하부 연결재(30)와 중간 연결재 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b), 절연 밀봉부재(미도시) 및 체결바(미도시)를 포함한다. 실시예 3에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)에 있어서, 중간 연결재(400)를 제외한 나머지 구성은 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)에서 설명된 구성과 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 중간 연결재(400)를 중심으로 설명하고 나머지 구성에 대한 설명은 실시예 1에 대한 설명으로 대신한다.
중간 연결재(400)는 도전성 몸체부(400')를 포함한다. 도전성 몸체부(400')는 제1 전극 접촉홈들(410), 제2 전극 접촉홈들(420), 제1 관통홀들(430), 제2 관통홀들(440) 및 제1 체결홀들(450)을 포함한다. 제2 전극 접촉홈들(420), 제2 관통홀들(440)을 제외한 나머지 구성은 실시예 1에서 설명된 것과 실질적으로 동일 또는 유사하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
몸체부(400')에는 제1 관통홀들(430) 사이에서 서로 이격되게 형성된 두 개의 제2 관통홀들(440)이 형성된다. 몸체부(400')의 상부면에 형성되는 제1 전극 접촉홈들(410) 각각은 좌측에 위치하는 제1 관통홀(430a)과 제2 관통홀(440a) 사이의 영역 및 우측에 위치하는 제1 관통홀(430b)과 제2 관통홀(440b) 사이의 영역에서만 형성될 뿐 제2 관통홀들(440)이 형성된 영역과 제2 관통홀들(440) 사이에 위치하는 영역에서는 형성되지 않는다. 따라서, 제1 전극 접촉홈들(410) 각각은 서로 이격된 두 개의 부분으로 분리된다.
몸체부(400')의 하부면에 형성된 제2 전극 접촉홈들(420) 각각은 좌측에 위치하는 제1 관통홀(430a)과 제2 관통홀(440a) 사이의 영역 및 우측에 위치하는 제1 관통홀(430b)과 제2 관통홀(440b) 사이의 영역뿐만 아니라 제2 관통홀들(440) 사이에 위치하는 영역에도 형성된다. 따라서, 제2 전극 접촉홈들(420) 각각은 서로 이격된 세 개의 부분으로 분리된다.
이와 같이, 제2 관통홀들(440) 사이에 위치하는 영역에도 제2 전극 접촉홈(420)을 형성함으로써 몸체부(400')와 제2 전극 접촉부(420)에 수용되는 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극(17) 사이의 접촉 면적을 증가시킬 수 있다.
실시예 5
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예 5에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 적용되는 중간 연결재를 도시한 사시도이다.
도1, 도2, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 본 발명의 실시예 5에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)은 상부 연결재(20), 하부 연결재(30), 중간 연결재(500), 상부 연결재(20)와 중간 연결재(500) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a), 하부 연결재(30)와 중간 연결재(500) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b), 절연 밀봉부재(미도시) 및 체결바(미도시)를 포함한다. 실시예 5에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)에 있어서, 중간 연결재(500)를 제외한 나머지 구성은 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)에서 설명된 구성과 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 중간 연결재(500)를 중심으로 설명하고 나머지 구성에 대한 설명은 실시예 1에 대한 설명으로 대신한다.
중간 연결재(500)는 도전성 몸체부(500', 500'')를 포함한다. 도전성 몸체부(500', 500'')는 서로 분리된 제1 몸체부(500') 및 제2 몸체부(500'')를 포함한다. 제1 몸체부(500')는 실시예 1에 따른 중간 연결재 중 제2 관통홀 좌측에 위치한 부분과 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 제2 몸체부(500'')는 실시예 1에 따른 중간 연결재 중 제2 관통홀 우측에 위치한 부분과 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 제1 및 제2 몸체부(500', 500'')의 구체적인 구성에 대한 설명은 실시예 1에 대한 설명으로 대신한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 관형 고체산화물 연료전지 15 : 제1 전극
13 : 전해질 15 : 제2 전극
17 : 밀봉부 20 : 상부 연결재
21 : 제3 전극 접촉홈 22 : 제1 기체홈
23 : 제2 기체홈 24, 25: 기체 주입구
27 : 전극 접촉바 30 : 하부 연결재
31 : 제4 전극 접촉홈 32 : 제3 기체홈
33 : 제4 기체홈 36 : 체결홀
100, 200, 300, 400, 500 : 중간 연결재
100', 200', 300', 400', 500' : 몸체부
110 : 제1 전극 접촉홈 120 : 제2 전극 접촉홈
130 : 제1 관통홀 140 : 제2 관통홀
1000 : 관형 고체산화물 연료전지 스택

Claims (13)

  1. 내부에 유로가 형성된 관형 제1 전극, 상기 제1 전극의 양단부 부분이 노출되도록 상기 제1 전극 상부에 순차적으로 적층된 전해질 및 제2 전극을 구비하는 고체산화물 연료전지들을 서로 전기적으로 연결하는 도전성 몸체부를 포함하는 고체산화물 연료전지용 연결재에 있어서, 상기 도전성 몸체부는,
    상기 몸체부의 상부면에 제1 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하도록 형성되고, 상기 제1 고체산화물 연료전지의 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제1 전극 접촉홈; 및
    상기 몸체부의 하부면에 제2 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하도록 형성되고, 상기 제2 고체산화물 연료전지의 제2 전극과 전기적으로 연결되는 제2 전극 접촉홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연결재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 접촉홈은 상기 노출된 제1 고체산화물 연료전지의 제1 전극을 수용하고 상기 제1 고체산화물 연료전지의 제1 전극과 전기적으로 연결되는 전극접촉부; 및 상기 제1 고체산화물 연료전지의 제2 전극을 수용하고 상기 제1 고체산화물 연료전지의 제2 전극과 전기적으로 절연되는 전극수용부를 포함하고,
    상기 전극접촉부의 폭과 깊이는 상기 전극수용부의 폭과 깊이보다 작아서 상기 전극접촉부와 상기 전극수용부 사이에는 단차가 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연결재.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전극수용부에는 절연막이 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연결재.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제2 전극 접촉홈의 폭 및 깊이는 상기 전극수용부의 폭 및 깊이와 동일하거나 상기 전극수용부의 폭 및 깊이보다 작은 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연결재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 몸체부는,
    상기 몸체부를 관통하도록 형성되고, 인접한 상기 제1 전극 접촉홈의 제1 단부 및 상기 제2 전극 접촉홈의 제1 단부와 연결된 제1 관통홀;
    상기 몸체부를 관통하도록 형성되고, 인접한 상기 제1 전극 접촉홈의 제2 단부 및 상기 제2 전극 접촉홈의 제2 단부와 연결된 제2 관통홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연결재.
  6. 제5항에 있어서, 상기 몸체부는 상기 제1 및 제2 고체산화물 연료전지의 상기 제2 전극들의 적어도 일부분이 위치하는 부분에 상기 몸체부를 관통하도록 형성된 제3 관통홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연결재.
  7. 제6항에 있어서, 상기 몸체부는 상기 제3 관통홀의 대향하는 양단부를 연결하도록 형성되고, 상기 제2 관형 고체산화물 연료전지의 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 전극 접촉바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연결재.
  8. 제5항에 있어서, 상기 몸체부는,
    상기 제1 관통홀과 상기 제1 관통홀에 인접한 상기 몸체부의 제1 단부 사이에 형성된 제1 체결홀; 및
    상기 제2 관통홀과 상기 제2 관통홀에 인접하고 상기 제1 단부에 대향하는 상기 몸체부의 제2 단부 사이에 형성된 제2 체결홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연결재.
  9. 내부에 유로가 형성된 관형 제1 전극, 상기 제1 전극의 양단부 부분이 노출되도록 상기 제1 전극 상부에 순차적으로 적층된 전해질 및 제2 전극을 구비하는 제1 및 제2 고체산화물 연료전지; 및 상부면에 상기 제1 고체산화물 연료전지를 수용하는 제1 전극 접촉홈이 형성되고, 하부면에 상기 제2 고체산화물 연료전지를 수용하는 제2 전극 접촉홈이 형성된 제1 몸체부를 구비하는 중간 연결재를 포함하고,
    상기 제1 전극 접촉홈은 상기 제1 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하여 상기 제1 고체산화물 연료전지의 노출된 제1 전극 부분과 전기적으로 연결되며,
    상기 제2 전극 접촉홈은 상기 제2 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하여 상기 제2 고체산화물 연료전지의 제2 전극과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 전극 접촉홈과 함께 상기 제1 고체산화물 연료전지를 수용하고, 상기 제1 고체산화물 연료전지의 제2 전극과 전기적으로 연결된 제3 전극 접촉홈이 형성된 제2 몸체부를 구비하는 상부 연결재; 및
    상기 제2 전극 접촉홈과 함께 상기 제2 고체산화물 연료전지를 수용하고, 상기 제2 고체산화물 연료전지의 제1 전극과 전기적으로 연결된 제4 전극 접촉홈이 형성된 제3 몸체부를 구비하는 하부 연결재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 몸체부는 상기 제1 및 제2 고체산화물 연료전지의 내부 유로와 연결된 제1 관통홀을 포함하고,
    상기 제2 몸체부는 상기 제1 관통홀과 연결되는 제1 기체홈을 포함하며,
    상기 제3 몸체부는 상기 제1 관통홀과 연결되는 제2 기체홈 및 상기 제2 기체홈에 제1 기체를 주입하기 위한 제1 기체주입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 몸체부는 상기 제1 및 제2 고체산화물 연료전지의 제2 전극들이 배치되는 위치에 형성된 제2 관통홀을 포함하고,
    상기 제2 몸체부는 상기 제2 관통홀과 연결된 제3 기체홈을 포함하며,
    상기 제3 몸체부는 상기 제2 관통홀과 연결된 제4 기체홈 및 상기 제4 기체홈에 제2 기체를 주입하기 위한 제2 기체 주입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  13. 제10항에 있어서, 상기 중간 연결재와 상기 상부 연결재 사이에 배치되어 상기 중간 연결재와 상기 상부 연결재를 절연시키는 제1 절연부재; 및
    상기 중간 연결재와 상기 하부 연결재 사이에 배치되어 상기 중간 연결재와 상기 하부 연결재를 절연시키는 제2 절연부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
KR1020110038469A 2011-04-25 2011-04-25 관형 고체산화물 연료전지용 연결재 및 이를 포함하는 관형 고체산화물 연료전지 스택 KR101811195B1 (ko)

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