KR102033904B1 - 연료 전지용 연결재 및 이를 포함하는 구조체 - Google Patents

연료 전지용 연결재 및 이를 포함하는 구조체 Download PDF

Info

Publication number
KR102033904B1
KR102033904B1 KR1020120100872A KR20120100872A KR102033904B1 KR 102033904 B1 KR102033904 B1 KR 102033904B1 KR 1020120100872 A KR1020120100872 A KR 1020120100872A KR 20120100872 A KR20120100872 A KR 20120100872A KR 102033904 B1 KR102033904 B1 KR 102033904B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
cover
fuel cells
tubular fuel
fuel cell
Prior art date
Application number
KR1020120100872A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140036372A (ko
Inventor
한기문
박광연
박진아
Original Assignee
주식회사 미코
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 미코 filed Critical 주식회사 미코
Priority to KR1020120100872A priority Critical patent/KR102033904B1/ko
Priority to PCT/KR2013/007709 priority patent/WO2014042367A1/ko
Publication of KR20140036372A publication Critical patent/KR20140036372A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102033904B1 publication Critical patent/KR102033904B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/002—Shape, form of a fuel cell
    • H01M8/004—Cylindrical, tubular or wound
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/243—Grouping of unit cells of tubular or cylindrical configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H01M8/0252—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form tubular
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

전해질을 사이로 공기극과 연료극이 형성된 다수의 관형 연료 전지들이 서로 연결된 번들 구조체는 상기 연료 전지들의 표면을 판 형태로 감싸면서 이들을 전기적으로 연결하며, 다공성 금속 재질로 이루어진 연결재를 포함한다. 상기 연결재는 메쉬(mesh) 형태를 포함할 수 있다. 또한, 상기 연결재는 용접 방식을 통해 접합되는 적어도 하나의 접합부를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지용 연결재 및 이를 포함하는 구조체{INTERCONNECTOR FOR TUBULAR FUEL CELLS AND STRUCTURE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 연료 전지용 연결재 및 이를 포함하는 구조체에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 전력량을 증가시키기 위해서 다수의 연료 전지들을 연결재를 통해 서로 전기적으로 연결한 구조체에 관한 것이다.
일반적으로, 제3 세대 연료 전지라고 불리는 고체산화물 연료 전지는 인산형 연료 전지(PAFC) 및 용융탄산염형 연료 전지(MCFC) 보다 뒤늦게 개발이 시작되었으나, 급속한 재료기술의 발달로 상기 PAFC 및 MCFC에 이어 가까운 시일내에 실용화될 전망이고, 이를 위해 선진국에서는 기초연구 및 대형화 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
고체산화물 연료 전지는 약 600 내지 1000 ℃ 정도의 고온에서 작동되는 연료 전지로서, 종래 여러 형태의 연료 전지들 중 가장 효율이 높고 공해가 적을 뿐 아니라, 연료 개질기를 필요로 하지 않고 복합발전이 가능하다는 여러 장점을 지니고 있다.
상기와 같은 고체산화물 연료 전지는 크게 관형과 평판형으로 분류될 수 있다. 평판형 고체산화물 연료 전지는 관형에 비하여 스택 자체의 전력밀도가 높은 장점은 있으나, 가스 밀봉문제와 재료들간 열평형계수 차이에 의한 열적 쇼크 등의 문제로 대면적 연료 전지의 제조가 어려운 문제점을 안고 있어 현재에는 관형 고체산화물 연료 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 관형 고체산화물 연료 전지는 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 연료 전지의 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 지지체형 고체산화물 연료 전지가 개발되었다.
연료극 지지체형 고체산화물 연료 전지에 사용되는 관형의 연료극은 지지체로서 뿐만 아니라 전극으로서의 요구되는 특성을 만족하면서, 지지체와 전해질층 사이의 반응성이 낮아 공소결이 가능하고, 그 기계적 강도가 높아 안정한 연료 전지 번들 구조체를 구성할 수 있는 장점이 있다. 이러한, 관형 고체산화물 연료 전지의 번들 구조체를 구성하기 위해서는 각 연료 전지를 전기적으로 연결하기 위한 연결재가 반드시 필요하다.
이에, 종래에는 연료 전지들 각각을 와이어를 감아서 서로 전기적으로 연결하는 연결재를 사용함으로써, 제작이 어려울 뿐만 아니라 접촉 저항도 높은 문제점을 안고 있다.
본 발명의 목적은 관형 고체산화물 연료 전지들의 구조체에 있어서 각 관형 연료 전지들 간의 접촉 저항을 간단한 구조로 줄일 수 있는 연결재를 포함하는 관형 연료 전지의 번들 구조체를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 일 특징에 따른 전해질을 사이로 공기극과 연료극이 형성된 다수의 관형 연료 전지들이 서로 연결된 번들 구조체는 상기 연료 전지들의 표면을 판 형태로 감싸면서 이들을 전기적으로 연결하며, 다공성 금속 재질로 이루어진 연결재를 포함한다.
일 실시예에 따른 상기 연결재는 메쉬(mesh) 형태를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 연결재는 용접 방식을 통해 접합되는 적어도 하나의 접합부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 연결재는 각 연료 전지의 표면을 개별적으로 감싸는 다수의 커버부들 및 각 커버부의 일부로부터 돌출되며 상기 연료 전지들 사이에서 서로 전기적으로 접합되는 적어도 하나의 접합부를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 상기 연결재는 상기 연료 전지들의 표면을 전체적으로 감싸는 커버부를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 상기 연결재는 각 연료 전지의 표면을 개별적으로 감싸는 다수의 제1 커버부들, 각 제1 커버부의 일부로부터 돌출되며 상기 연료 전지들 사이에서 서로 전기적으로 접합되는 접합부 및 상기 제1 커버부들과 상기 접합부의 표면을 전체적으로 감싸는 제2 커버부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 각 연료 전지는 중심 영역에서 상기 공기극과 연료극 중 어느 하나가 노출된 제1 전극과, 에지 영역에서 상기 공기극과 연료극 중 다른 하나가 노출된 제2 전극을 포함할 수 있다. 이럴 경우, 또 다른 실시예에 따른 상기 연결재는 상기 제1 전극의 표면을 감싸는 제1 커버부 및 상기 제1 커버부의 일부로부터 돌출된 돌출부를 갖는 제1 연결부, 및 상기 제2 전극의 표면을 감싸는 제2 커버부 및 상기 제2 커버부의 일부로부터 상기 돌출부와 전기적으로 연결되도록 연장된 연장부를 갖는 제2 연결부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 연장부는 관통공이 없는 치밀한 재질로 이루어질 수 있다.
이러한 관형 연료 전지용 연결재 및 이를 포함하는 번들 구조체에 따르면, 관형 연료 전지들을 서로 전기적으로 연결하는 연결재를 각 관형 연료 전지의 표면을 접촉 면적이 넓어지도록 판 형태로 감싸면서 공기 또는 연료가 통과하도록 다공성 금속 재질로 구성함으로써, 접촉 저항을 줄여 이에 따른 집전 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 연결재를 단순히 판 형태의 다공성 금속 재질로 간단하게 제작할 수 있음에 따라 상기 번들 구조체의 전체적인 공정 시간을 단축할 수 있으므로, 공정 효율 향상도 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 번들 구조체를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 번들 구조체의 관형 연료 전지의 단면을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 A부분을 확대한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅰ＇선을 따라 절단하여 실시예 1에 따른 연결재를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 B부분을 확대한 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅰ＇선을 따라 절단하여 실시예 2에 따른 연결재를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6의 C부분을 확대한 도면이다.
도 8은 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅰ＇선을 따라 절단하여 실시예 3에 따른 연결재를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 D부분을 확대한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 번들 구조체를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 도 10의 번들 구조체를 측면에서 바라본 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 관형 연료 전지의 번들 구조체에 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 번들 구조체를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 번들 구조체의 관형 연료 전지의 단면을 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1의 A부분을 확대한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 관형 연료 전지(10)들이 서로 연결된 번들 구조체(1000)는 상기의 관형 연료 전지(10)들을 전기적으로 연결하기 위한 연결재(100)를 포함한다.
여기서, 관형 연료 전지(10)는 내부에 유로를 가지면서 단면이 폐루프(closed loop)를 형성하는 모든 형상의 연료 전지를 포함한다. 예를 들어, 관형 연료 전지(10)는 단면이 원형인 연료 전지뿐만 아니라 단면이 타원형인 연료 전지 및 평관형 연료 전지도 포함하고, 나아가 단면이 사각형 등 다각형인 연료 전지도 포함할 수 있다.
이러한 관형 연료 전지(10)는 전해질(12)을 사이로 제1 전극(14)인 공기극과 제2 전극(16)인 연료극을 형성하여 전기를 생성한다. 구체적으로, 관형 연료 전지(10)는 제1 및 제2 전극(14, 16)들 각각에 산소를 포함하는 공기와 수소를 포함하는 연료 가스를 흘려주면 전해질(12)에서 이온 전도현상을 통해 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하여 전기가 생성된다. 더욱 구체적으로, 공기는 제1 전극(14)에서 산소의 환원 반응을 통해 산소이온을 생성하고, 이 산소이온은 전해질(12)을 통해 제2 전극(16)으로 이동하고, 제2 전극(16)으로 이동된 산소이온과 제2 전극(16)에 공급된 수소가 반응함으로써 전기가 생성된다.
전해질(12)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. 예를 들어, 전해질(12)은 상기의 세라믹 물질이 하나 또는 둘 이상의 층 구조로 형성될 수 있다. 이러한 전해질(12)을 포함하는 연료 전지를 통상적으로 고체산화물 연료 전지(SOFC)라고 명칭하며 약 600 내지 1000 ℃의 고온에서 작동되는 것이 특징이다.
공기극인 제1 전극(14)은 전해질(12)의 표면에 형성된다. 이에, 공기는 외부로부터 제1 전극(14)이 노출된 관형 연료 전지(10)의 표면으로 공급된다. 제1 전극(14)은 공기 중 산소가 전해질(12)과의 계면에서 이온 전도현상이 유도되도록 산소가 이동할 수 있는 재질로 이루어진다. 예를 들어, 제1 전극(14)은 LSM(Lanthanum strontium manganite), LSCF(Lanthanum strontium cobalt ferrite) 등을 이용하여 다공질 구조로 형성될 수 있다. 여기서, 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. 이러한 제1 전극(14)은 전해질(12) 상에 스크린 프린팅(screen printing), 스프레이 코팅(spray coating), 딥 코팅(deep coating), 슬러리 코팅(slurry coating) 방법 등을 통해 형성될 수 있다.
연료극인 제2 전극(16)은 전해질(12)의 안쪽면에 형성된다. 이에, 연료 가스는 제2 전극(16)이 노출된 관형 연료 전지(10)의 내부 유로로 공급된다. 제2 전극(16)은 연료 가스 중 수소가 전해질(12)과의 계면에서 이온 전도현상이 유도되도록 수소가 이동할 수 있는 재질로 이루어진다. 예를 들어, 제2 전극(16)은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ: Yttria-Stabilized Zirconia)와 니켈(Ni)의 혼합물을 이용하여 다공질 구조로 형성될 수 있다. 이러한 제2 전극(16)은 전해질(12)과 같이 소결되어 형성될 수 있다. 이때, 연료극인 제2 전극(16)은 다른 전해질(12) 및 제1 전극(14)보다 상대적으로 두껍게 형성되어 관형 연료 전지(10)에서 지지체 역할을 수행할 수 있으며, 이를 통상 연료극 지지체형 연료 전지로 명칭되기도 한다.
또한, 다수의 관형 연료 전지(10)들의 제2 전극(16)들을 외부에서 전기적으로 쉽게 연결하기 위하여 각 관형 연료 전지(10)의 에지 영역(EA)에서는 전해질(12)과 제1 전극(14)이 형성시키지 않고 제2 전극(16)만이 외부로 노출되도록 형성한다. 이러면, 제1 전극(14)은 자연스럽게 관형 연료 전지(10)의 중심 영역(CA)에서 노출되는 것으로 구분될 수 있다. 이때, 관형 연료 전지(10)의 중심 영역(CA)과 에지 영역(EA) 사이에는 제1 및 제2 전극(14, 16)들 각각에 공급되는 공기 및 연료 가스가 서로 혼합되지 않도록 밀봉부(200)가 형성될 수 있다. 밀봉부(200)는 실링성이 우수한 유리 밀봉재를 사용할 수 있으며, 이럴 경우 유리의 특성 상 유동성을 가질 수 밖에 없으므로, 이를 억제하기 위해 섬유(fiber)를 추가하여 상기의 유동성을 제어할 수 있다.
본 실시예에서는 제1 전극(14)이 공기극이고, 제2 전극(16)이 연료극으로 정의하여 설명하였지만, 이는 단지 설명의 편의를 위한 것이므로, 반대로 제1 전극(14)이 연료극이 제2 전극(16)이 공기극일 수 있다. 이러한 반대 경우에는 공기와 연료 가스도 반대로 공급되어야 하며, 연료극 대신 공기극이 상대적으로 두껍게 제작되어 지지체 역할을 수행할 수도 있다. 또한, 이는 이하의 도 10 및 도 11을 참조한 실시예에서도 동일하게 적용될 수 있다.
연결재(100)는 전도성의 금속 재질로 이루어지며, 관형 연료 전지(10)들의 표면을 판 형태로 감싸면서 이들을 전기적으로 연결하여 집전하는 역할을 수행한다. 구체적으로, 연결재(100)는 공기극인 제1 전극(14)들의 중심 영역(CA)에서 노출된 표면을 판 형태로 감싸면서 이들을 전기적으로 연결한다. 이러한 연결재(100)의 연결 형태는 동일한 전극들을 연결하는 병렬 구조로써, 저전압 고전류의 전기적 특성을 나타낸다.
이와 같이, 연결재(100)가 판 형태로 제1 전극(14)들을 감싸게 되면 접촉 면적이 넓어지게 됨으로써, 접촉 저항을 줄여 이에 따른 집전 효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 연결재(100)는 약 600 내지 1000℃의 고온에서 운전되는 연료 전지에 견딜 수 있도록 금속 중 Cr을 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 연결재(100)는 Fe-Cr 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 연결재(100)는 공기가 제1 전극(14)에 직접 접촉할 수 있도록 다공성 재질로 이루어진다. 예를 들어, 연결재(100)는 도 3에서와 같이 라운드진 제1 전극(14)의 표면을 쉽게 감쌀 수 있는 유연성을 가지면서 다공성 특징도 우수한 메쉬(mesh) 형태로 제작될 수 있다. 이에, 메쉬 형태의 판은 기성품 형태로 다양하게 판매되고 있으므로, 사용자는 필요한 규격의 메쉬 판을 구매하여 이를 절단 또는 접합 등의 간단한 공정을 통해 메쉬 형태의 연결재(100)를 제조할 수 있다. 이와 달리, 연결재(100)는 유연성을 갖도록 얇은 두께의 금속판을 에칭 또는 기계적인 펀칭 공정을 통해 타공한 다공성 재질로 제작될 수 있다.
이와 같이, 연결재(100)를 단순히 판 형태의 다공성 재질로 간단하게 제작할 수 있음에 따라 번들 구조체(1000)의 전체적인 공정 시간을 단축할 수 있으므로, 공정 효율의 향상도 기대할 수 있다.
또한, 번들 구조체(1000)는 도면에는 도시하지 않았지만, 관형 연료 전지(10)의 에지 영역(EA)에서 연료극인 제2 전극(16)들의 노출된 표면을 판 형태로 감싸면서 이들을 전기적으로 연결하는 제2 연결재(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 연결재는 연료 가스가 내부 유로를 통해 제2 전극(16)에 공급되므로 굳이 다공성 금속 재질로 이루어질 필요성은 없으며, 이를 제외한 나머지 구성에 대해서는 상기에서의 연결재(100)와 실질적으로 동일하게 구성될 수 있다.
이하, 연결재(100)의 다양한 실시예들에 대하여 도 4 내지 도 9를 참조하여 보다 상세하게 설명하고자 하며, 연결재(100) 이외의 구성에 대해서는 도 1 및 도 2와 동일하므로, 동일한 참조 번호를 사용하고자 한다.
실시예 1
도 4는 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅰ＇선을 따라 절단하여 실시예 1에 따른 연결재를 나타낸 도면이며, 도 5는 도 4의 B부분을 확대한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 연결재(300)는 각 관형 연료 전지(10)의 제1 전극(14) 표면을 개별적으로 판 형태로 감싸는 다수의 커버부(310)들 및 각 커버부(310)의 일부로부터 돌출되어 관형 연료 전지(10)들 사이에서 서로 전기적으로 접합되는 적어도 하나의 접합부(320)를 포함한다.
이때, 접합부(320)는 암수 형태로 서로 끼워져서 접합되도록 형성된 제1 및 제2 접합부(322, 324)들을 포함할 수 있다. 이럴 경우, 제1 및 제2 접합부(322, 324)들은 관형 연료 전지(10)들이 평면적으로 서로 연결될 수 있도록 커버부(310)로부터 동일 선상에서 서로 대향하는 위치에 형성될 수 있다.
제1 및 제2 접합부(322, 324)들은 간단한 용접 방식, 예컨대 스팟 용접(spot welding) 또는 레이저 용접(laser welding)을 통해서 서로 접합될 수 있다. 이는, 제1 및 제2 접합부(322, 324)들을 단순히 압착에 의해서 서로 접합할 경우, 일부에서 발생될 수 있는 벌어진 틈에 의해 접촉 면적이 감소하여 접촉 저항이 증가되는 것을 방지하기 위해서이다. 즉, 제1 및 제2 접합부(322, 324)들을 용접 방식을 통해 접합하면, 제1 전극(14)들에서 판 형태로 감싼 커버부(310)에 의해 줄어든 접촉 저항을 최대한 그대로 유지하여 집전 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 연결재(300)가 Fe-Cr 재질로 이루어져 있을 경우, 제1 및 제2 접합부(322, 324)들의 접합되는 부위에는 피독 물질인 Cr이 산화된 Cr산화막이 형성됨으로써 전도성이 떨어지는 것을 방지하고자 별도의 코팅막(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 코팅막은 일 예로, LSM(Lanthanum strontium manganite) 또는 LSCF(Lanthanum strontium cobalt ferrite)를 포함할 수 있다. 또는, 상기 코팅막은 망간(Mn), 코발트(Co), 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 아연(Zn), 주석(Sn) 또는 티타늄(Ti)으로부터 적어도 하나 또는 그 이상으로 선택된 혼합 물질로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서의 연결재(300)는 커버부(310)들을 통해 관형 연료 전지(10)들을 개별적으로 표면을 감싼 상태에서 제1 및 제2 접합부(322, 324)들을 접합시킴으로써, 서로 연결되는 관형 연료 전지(10)들의 개수를 쉽게 조정할 수 있다.
실시예 2
도 6은 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅰ＇선을 따라 절단하여 실시예 2에 따른 연결재를 나타낸 도면이고, 도 7은 도 6의 C부분을 확대한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예 2에 따른 연결재(400)는 관형 연료 전지(10)들의 제1 전극(14)들 표면을 전체적으로 판 형태로 감싸도록 형성된 커버부(410)를 포함한다.
이에, 본 실시예에서의 커버부(410)는 일체형 구조를 가짐으로써, 서로 전기적인 연결을 위하여 접합되는 부분이 없기 때문에, 접촉 저항이 증가할 원인이 원천적으로 방지될 수 있다. 따라서, 제1 전극(14)들에서 판 형태로 감싼 커버부(410)에 의해 줄어든 접촉 저항을 그대로 유지하여 집전 효율이 떨어지는 것을 근본적으로 제거할 수 있다.
또한, 커버부(410)를 관형 연료 전지(10)들의 제1 전극(14)들을 감싸면서 쉽게 조립하기 위하여 커버부(410)를 상부와 하부로 분리하여 제작한 다음, 이들을 사이에 관형 연료 전지(10)들이 개재되도록 결합하여 조립할 수 있다. 이때, 실질적으로 결합되는 커버부(410)의 양 단부들은 용접 방식을 통해 접합될 수 있으며, 이 경우 접합되는 부분은 관형 연료 전지(10)들 간의 전기적인 연결과는 무관한 부위이므로 접촉 저항 증가와는 관련이 없다. 이에, 커버부(410)의 결합되는 부분은 용접 방식 외에, 브레이징(brazing), 볼팅(bolting) 또는 클램핑(clamping) 방식으로 결합될 수 있다. 또한, 커버부(410)의 일단에서는 분리된 상부와 하부를 힌지로 연결함으로써, 부품 관리를 보다 용이하게 수행할 수도 있다.
실시예 3
도 8은 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅰ＇선을 따라 절단하여 실시예 3에 따른 연결재를 나타낸 도면이며, 도 9는 도 8의 D부분을 확대한 도면이다.
본 실시예 3은, 실질적으로 실시예 1과 실시예 2를 복합적으로 적용한 것으로써, 이에 중복되는 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예 3에 따른 연결재(500)는 각 관형 연료 전지(10)의 제1 전극(14) 표면을 개별적으로 판 형태로 감싸는 다수의 제1 커버부(510)들, 각 제1 커버부(510)의 일부로부터 돌출되어 관형 연료 전지(10)들 사이에서 서로 전기적으로 접합되는 접합부(520) 및 제1 커버부(510)들과 접합부(520)의 표면을 전체적으로 감싸는 제2 커버부(530)를 포함한다.
이에, 본 실시예에서의 연결재(500)는 제1 커버부(510)들과 접합부(520)에 의해서 관형 연료 전지(10)들의 제1 전극(14)들을 서로 전기적으로 연결시킨 다음, 제2 커버부(530)를 통하여 이들을 한번더 전기적으로 연결시킴으로써, 실시예 1 및 2에서보다 전기적인 연결 상태를 더욱 안정적으로 유지할 수 있다. 특히, 제2 커버부(530)가 제1 커버부(510)들을 제1 전극(14)들로 압착시킴으로써, 제1 커버부(510)들이 제1 전극(14)들에 전체적으로 접하도록 하여 더욱 접촉 저항을 줄일 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 번들 구조체를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 11은 도 10의 번들 구조체를 측면에서 바라본 도면이다.
본 실시예에서는, 번들 구조체의 연결재 연결 구조를 제외하고는 도 1 내지 도 2에 도시된 구성과 동일하므로, 이에 중복되는 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 다수의 관형 연료 전지(20)들이 서로 연결된 번들 구조체(1100)는 관형 연료 전지(20)들의 제1 전극(24)들과 제2 전극(26)들을 전기적으로 연결하는 연결재(600)를 포함한다. 구체적으로, 연결재(600)는 제1 전극(24)에 연결되는 제1 연결부(610) 및 제2 전극(26)에 연결되는 제2 연결부(620)를 포함한다.
제1 연결부(610)는 중심 영역(CA)에서 제1 전극(24)의 표면을 판 형태로 감싸는 제1 커버부(612) 및 제1 커버부(612)의 일부로부터 돌출된 돌출부(614)를 포함한다. 이때, 돌출부(614)는 이웃하는 다른 제1 커버부(612)에 접촉되지 않도록 관형 연료 전지(20)들의 사이 간격보다 작은 길이로 돌출된다. 또한, 제1 커버부(612)는 제1 전극(24)에 공기가 직접 접촉할 수 있도록 다공성 금속 재질로 이루어진다.
제2 연결부(620)는 에지 영역(EA)에서 제2 전극(26)의 표면을 판 형태로 감싸는 제2 커버부(622) 및 제2 커버부(622)의 일부로부터 돌출부(614)와 전기적으로 연결되도록 연장된 연장부(624)를 포함한다. 이때, 연장부(624)는 중심 영역(CA)과 에지 영역(EA) 사이에서 공기와 연료 가스가 서로 혼합되는 것을 방지하기 위한 밀봉부(700)를 관통할 수 밖에 없으므로, 밀봉부(700)의 실링성이 유지되도록 관통공이 없는 치밀한 구조로 형성될 수 있다. 결과적으로, 연장부(624)는 제2 커버부(622)의 일부로부터 연장된 것이므로, 제2 연결부(620) 전체가 관통공이 없는 치밀한 구조로 형성될 수 있다. 이럴 경우, 도 1 및 도 2를 참조한 설명에서와 같이 연료 가스는 관형 연료 전지(20)의 내부 유로에서 제2 전극(26)과 접촉하기 때문에, 제2 연결부(620)를 관통공이 없는 치밀한 구조로 형성하여도 관형 연료 전지(20)의 발전 구동에는 문제가 없다. 또한, 연장부(624)와 돌출부(614)의 전기적인 연결은 그 사이에서의 접촉 저항이 증가하는 것을 방지하고자 용접 방식, 예컨대 스팟 용접(spot welding) 또는 레이저 용접(laser welding)을 통해서 서로 접합될 수 있다.
이러한 연결재(600)의 제1 및 제2 연결부(610, 620)들에 의한 연결 형태는 특성이 서로 다른 제1 및 제2 전극(24, 26)들을 연결하는 직렬 구조로써, 고전압 저전류의 전기적 특성을 나타낸다.
이와 같이, 연결재(600)의 제1 및 제2 연결부(610, 620)들 각각이 제1 및 제2 커버부(612, 622)들을 통하여 제1 및 제2 전극(24, 26)들 각각의 표면을 판 형태로 접촉 면적이 넓어지도록 감쌈으로써, 연결재(600)와 제1 및 제2 전극(24, 26)들 간의 접촉 저항을 줄여 결과적으로 집전 효율을 향상시킬 수 있다.
상기에서 설명한 실시예들에 있어서, 병렬 구조로 연결하는 연결재(100, 300, 400, 500)와 직렬 구조로 연결하는 연결재(600)는 하나의 번들 또는 스택 구조물에 같이 적용되어 직렬과 병렬 연결 구조의 확장성을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 다수의 단위 번들 구조체(1000)들 각각을 상기의 직렬 연결하는 연결재(100, 300, 400, 500)를 통해 연결한 다음, 이들을 다시 병렬 구조로 연결하는 연결재(600)를 통해서 스택 형태로 연결함으로써, 전압과 전류를 확장시켜 고출력의 번들 또는 스택 구조물을 형성할 수 있다. 이와 반대로, 다수의 단위 번들 구조체(1000)들 각각을 상기의 병렬 연결하는 연결재(600)를 통해 연결한 다음, 이들을 다시 직렬 구조로 연결하는 연결재(100, 300, 400, 500)를 통해서 스택 형태로 연결할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 다수의 관형 연료 전지들이 서로 연결된 번들 구조체에 있어서, 연결재를 관형 연료 전지의 공기극 또는 연료극에 판 형태의 감싸도록 다공질 금속 재질로 구성함으로써, 연결재와 공기극 또는 연료극 간의 접촉 저항을 줄여 집전 효율을 향상시킬 수 있는 번들 구조체에 이용될 수 있다.
10 : 관형 연료 전지 12 : 전해질
14 : 제1 전극 16 : 제2 전극
100, 300, 400, 500, 600 : 연결재
200, 700 : 밀봉부 310, 410 : 커버부
320, 520 : 접합부 610 : 제1 연결부
620 : 제2 연결부 1000, 1100 : 번들 구조체

Claims (8)

  1. 단면이 폐루프를 형성하는 전해질, 상기 전해질 내부에 배치되고 에지 영역에서 상기 전해질에 의해 노출된 제1 전극층 및 상기 전해질 외부에 배치되고 상기 에지 영역에서 상기 제1 전극층을 노출시키는 제2 전극층을 포함하는 다수의 관형 연료 전지들을 서로 전기적으로 연결하는 연결재에 있어서,
    상기 관형 연료 전지들의 제2 전극층들의 외부 표면을 판 형태로 각각 감싸면서 다공성 금속 재질로 이루어진 다수의 제1 커버부들 및 상기 제1 커버부들 각각으로부터 돌출되고 상기 제1 커버부들을 전기적으로 연결하는 제1 접합부들을 포함하는 제1 연결재; 및
    상기 관형 연료 전지들의 노출된 제1 전극층들의 외부 표면을 판 형태로 감싸고, 상기 제1 전극층들을 전기적으로 연결하는 제2 연결재를 포함하는 것을 특징으로 하는, 관형 연료 전지용 연결재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 커버부들 각각은 메쉬(mesh) 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 관형 연료 전지용 연결재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 커버부들 중 인접하게 배치된 제1 커버부들 사이에 배치된 제1 접합부들은 용접 방식을 통해 접합되는 것을 특징으로 하는 관형 연료 전지용 연결재.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연결재는 상기 제1 커버부들과 상기 제1 접합부들의 표면을 전체적으로 감싸는 제2 커버부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관형 연료 전지용 연결재.
  7. 전해질을 사이로 공기극과 연료극이 형성된 다수의 관형 연료 전지들을 서로 전기적으로 연결하는 연결재에 있어서,
    상기 연료 전지들의 표면을 판 형태로 감싸면서 다공성 금속 재질로 이루어지고,
    각 연료 전지는 중심 영역에서 상기 공기극과 연료극 중 어느 하나가 노출된 제1 전극과, 에지 영역에서 상기 공기극과 연료극 중 다른 하나가 노출된 제2 전극을 포함하며,
    상기 제1 전극의 표면을 감싸는 제1 커버부 및 상기 제1 커버부의 일부로부터 돌출된 돌출부를 갖는 제1 연결부; 및
    상기 제2 전극의 표면을 감싸는 제2 커버부 및 상기 제2 커버부의 일부로부터 상기 돌출부와 전기적으로 연결되도록 연장된 연장부를 갖는 제2 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 관형 연료 전지용 연결재.
  8. 제7항에 있어서, 상기 연장부는 관통공이 없는 치밀한 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 관형 연료 전지용 연결재.
KR1020120100872A 2012-09-12 2012-09-12 연료 전지용 연결재 및 이를 포함하는 구조체 KR102033904B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120100872A KR102033904B1 (ko) 2012-09-12 2012-09-12 연료 전지용 연결재 및 이를 포함하는 구조체
PCT/KR2013/007709 WO2014042367A1 (ko) 2012-09-12 2013-08-28 연료 전지용 연결재 및 이를 포함하는 구조체

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120100872A KR102033904B1 (ko) 2012-09-12 2012-09-12 연료 전지용 연결재 및 이를 포함하는 구조체

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140036372A KR20140036372A (ko) 2014-03-26
KR102033904B1 true KR102033904B1 (ko) 2019-10-21

Family

ID=50278433

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120100872A KR102033904B1 (ko) 2012-09-12 2012-09-12 연료 전지용 연결재 및 이를 포함하는 구조체

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102033904B1 (ko)
WO (1) WO2014042367A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230025267A (ko) 2021-08-13 2023-02-21 서울대학교산학협력단 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002260706A (ja) 2001-02-27 2002-09-13 Kyocera Corp 燃料電池
US20040175605A1 (en) 2003-03-07 2004-09-09 Eshraghi Ray R. Fuel cell structures and assemblies
JP2004349262A (ja) 2003-05-23 2004-12-09 Siemens Westinghouse Power Corp 発泡ニッケルと展伸ニッケルスクリーンとを組み合わせた固体酸化物電解質燃料電池用の電気コネクタ兼支持体

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100437498B1 (ko) * 2002-02-04 2004-06-25 한국에너지기술연구원 연료극 지지체식 원통형 고체산화물 연료전지 스택과 그제조 방법
KR20070022728A (ko) * 2004-05-28 2007-02-27 지멘스 악티엔게젤샤프트 고온 고체 전해질 연료전지 및 그러한 연료전지를 사용하여구성된 연료전지 설비
KR101109275B1 (ko) * 2009-08-04 2012-01-30 삼성전기주식회사 메시구조의 지지체를 구비한 연료전지
KR101130126B1 (ko) * 2010-01-25 2012-03-28 포항공과대학교 산학협력단 평관형 고체산화물 연료전지의 전기 연결재 제작 및 설치
KR101245626B1 (ko) * 2010-08-19 2013-03-20 한국에너지기술연구원 연료극 지지체식 평관형 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법
KR20120037175A (ko) * 2010-10-11 2012-04-19 삼성전기주식회사 연료 전지 및 그 제조 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002260706A (ja) 2001-02-27 2002-09-13 Kyocera Corp 燃料電池
US20040175605A1 (en) 2003-03-07 2004-09-09 Eshraghi Ray R. Fuel cell structures and assemblies
JP2004349262A (ja) 2003-05-23 2004-12-09 Siemens Westinghouse Power Corp 発泡ニッケルと展伸ニッケルスクリーンとを組み合わせた固体酸化物電解質燃料電池用の電気コネクタ兼支持体

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014042367A1 (ko) 2014-03-20
KR20140036372A (ko) 2014-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2621008B1 (en) Solid oxide fuel cell
KR102133161B1 (ko) 연료 전지 스택
EP2680360B1 (en) Junction for electrically connecting power generation units of solid oxide fuel cell
KR101912024B1 (ko) 연료 전지 및 연료 전지 스택
JP6170002B2 (ja) セルスタックおよびモジュールならびにモジュール収容装置
JP2015183252A5 (ko)
JP6781188B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
KR102027117B1 (ko) 연료 전지용 집전판 및 이를 포함하는 스택 구조물
JP6460261B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池スタック
JP6383003B2 (ja) 導電部材、セルスタック装置、モジュール、モジュール収納装置および導電部材の製造方法
KR102033904B1 (ko) 연료 전지용 연결재 및 이를 포함하는 구조체
JP6917182B2 (ja) 導電性部材、電気化学反応単位、および、電気化学反応セルスタック
JP2018137206A (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
KR102055950B1 (ko) 연료 전지용 스택 구조물
US9508996B2 (en) Connecting material for a tubular solid oxide fuel cell, and tubular solid oxide fuel cell stack including same
JP5417551B2 (ja) 燃料電池の構造体
JP5727429B2 (ja) セパレータ付燃料電池セル，および燃料電池
JP7187382B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP2016024951A (ja) 固体酸化物形燃料電池
JP5621029B1 (ja) 燃料電池
JP2018041570A (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP2017010843A (ja) セルスタック、モジュールおよびモジュール収容装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant