KR20110118300A - Tube type solid oxide fuel cell stacks and their manufacturing methods - Google Patents

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Abstract

본 발명은 튜브형 지지체를 사용하여 제작되는 고체산화물 연료전지용 스택에 있어서, 우선 내부에 1개 이상의 가스 유로 체널이 존재하는 튜브형 지지체 중앙부에 길이 방향으로 단위 셀들이 직렬 연결되어지고 양끝 단위 셀의 말단 전극들이 튜브 양끝에 끼워진 사각 링형태로 된 전기연결재 (Interconnect)와 연접된 후, 전기연결재 링 옆에 같은 링 모양의 스페이서, 가스 밀봉재, 스페이서를 끼워 장착한 셀 모듈 유닛을 제작하고, 상기 셀 모듈 유닛들을 일정 갯 수 쌓은 후 사각 양끝에 전기집전체 및 가스 쳄버를 장착하여 고온 소결함으로써 튜브들 양끝이 밀봉재에 의해 밀봉되고 셀 모듈들은 말단 단위 셀에서 전기적으로 병열 연결되어져 최종적으로 단위 셀들이 직렬-병렬 연결된 일체형의 단위 스택을 완성하고, 상기 단위 스택들 일정 갯 수를 다시 전기적 접촉이 없도록 일정한 거리를 두고 상하 좌우로 배열한 후 단위 셀이 형성된 중앙부 만 핫 박스내에 장착하고 단위 스택 양끝 쳄버들은 핫 박스 밖에서 전기적으로 병열, 직렬 또는 병렬-직렬로 혼합 연결되도록 제작되어지는 스택 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 스택은 기존의 스택 제작 방법에 있어서 가장 약점으로 지적되는 단위 셀들의 대면적화의 어려움, 단위 셀 들이 전기적으로 직렬로만 연결될 때 스택 제작상의 완성도 면에서의 어려움, 일부 단위 셀의 고장에 따른 수리나 교체의 불가능성 등의 난제를 해결하면서도 보다 쉽게 고집적도로 스택 용량을 대형화 시킬 수 있는 보다 새롭고도 획기적인 스택 및 그 제작 방법을 제공한다. The present invention relates to a stack for a solid oxide fuel cell fabricated using a tubular support, wherein unit cells are connected in series in a longitudinal direction to a central portion of a tubular support having one or more gas flow channel channels therein, and terminal electrodes of both end unit cells. The cell module unit having the same ring-shaped spacer, a gas sealant, and a spacer fitted next to the electrical connector ring, and then connected to an electrical connector material having a rectangular ring shape fitted to both ends of the tube. After accumulating a certain number of cells, high-temperature sintering is carried out by mounting an electrical current collector and a gas chamber at both ends of the squares, so that both ends of the tubes are sealed by a sealing material, and the cell modules are electrically connected in parallel in the end unit cells. Complete unit stacks connected to each other and complete a certain number of unit stacks. Arranged up and down and left and right at a certain distance so that there is no electrical contact, only the center where the unit cell is formed is mounted in the hot box, and the chambers at both ends of the unit stack are manufactured to be electrically connected in parallel, series, or parallel-serial outside the hot box. And a method for producing the same.
The stack for solid oxide fuel cells according to the present invention has a large area of unit cells, which is pointed out as the weakest point in the conventional stack manufacturing method, difficulty in terms of completeness of stack manufacturing when unit cells are electrically connected only in series, and some units. It provides a new and more innovative stack and its manufacturing method that can easily increase the stack capacity with high density while solving the difficulties such as repair or replacement which is impossible due to the failure of the cell.

Description

튜브형 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제작 방법{Tube Type Solid Oxide Fuel Cell Stacks and their Manufacturing Methods}Tube type solid oxide fuel cell stacks and their manufacturing methods

본 발명은 튜브형의 다공성 지지체를 이용하여 제작되어진 고체산화물 연료전지용 스택 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위 셀들이 전기적으로 직렬 및 병렬의 혼합 구조로 모듈화되어 반복하여 연결되어져 반응면적의 대면적화 및 최종 스택의 대형화가 용이하면서도 제작이 쉽고, 또한 일부 셀의 고장 시 단위 튜브 모듈의 교체로 수리가 가능한 새로운 형태의 고체산화물 연료전지용 스택 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a stack for a solid oxide fuel cell fabricated using a tubular porous support and a method for fabricating the same. More specifically, unit cells are modularized in a mixed structure of series and parallel electrically and repeatedly connected to each other. The present invention relates to a stack of a solid oxide fuel cell and a method of fabricating a new type of solid oxide fuel cell, which are easy to manufacture and large in size and easy to manufacture, and can be repaired by replacing a unit tube module when some cells fail.

제 3세대 연료전지라 할 수 있는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC 라 함)는 전해질로서 이트리아(yttria)를 첨가하고 결정 구조를 안정화시킨 산화 지르코니늄을 사용해 왔다. 이 재료는 산소이온의 전도성을 가지고 있지만 750~1000℃의 고온의 범위에서 연료전지로서의 원하는 전도성을 얻을 수 있는 특징이 있다. 이 때문에 SOFC의 운전 온도는 통상 750℃ 이상이며, 전극재료도 이와 같은 고온에 견디는 도전성의 물질이 사용되며,　 예로서 공기가 유입되는 공기극은 LaSrMnO3, 수소가 유입되는 연료극에는 Ni-ZrO2 혼합물 (cermet)이 통상 사용된다.　 Solid oxide fuel cells (SOFCs), which may be referred to as third generation fuel cells, have used zirconium oxide in which yttria is added as an electrolyte and the crystal structure is stabilized. This material has the conductivity of oxygen ions, but it has the characteristic of obtaining the desired conductivity as a fuel cell in the high temperature range of 750-1000 degreeC. For this reason, the operating temperature of SOFC is usually 750 ° C or higher, and the electrode material is a conductive material that can withstand such high temperatures. For example, a cathode in which air is introduced is LaSrMnO 3 , and a mixture of Ni-ZrO 2 is used in a fuel electrode in which hydrogen is introduced. cermet is commonly used.

종래의 평판형 (planer type) SOFC에 있어서는 연료극 또는 전해질 지지체에 나머지 전극 또는 전해질을 얇게 피복 접합하여 최종적으로 단위 전해질-전극 조합체 (Electrolyte-Electrode Assembly, 이하 'EEA'라 명함)을 만들고, 여기에 적층 시 상하 단위 셀의 공기극과 연료극을 전기적으로 연결하고 각각의 전극에 연료 및 공기를 도입하기 위한 가스 채널들을 양면에 형성한 도전성의 금속 재료로 된 전기연결판 (Interconnect)를 끼워 단위 셀을 구성하게 된다. 이러한 평판형 방식에서는 'EEA' 층의 두께가 얇은 장점이 있으나 세라믹의 특성 상 두께의 균일도나 평판도를 조절하는 것이 어려워서 대형화가 쉽지 않고, 또한 단위 셀의 적층 (stacking)을 위해 EEA와 전기연결판을 번갈아 적층 시 유입 가스의 밀봉을 위해 셀 가장자리에 가스 밀봉재를 사용하게 된다. 그러나 밀봉 재료로 사용되는 유리(glass)계 재료의 연화 온도는 600℃ 정도부터 시작되지만 고체산화물 연료전지는 바람직한 효율을 얻기 위해서는 통상 750℃ 이상의 고온에서 작동되어져　밀봉제의 연화에 의한 가스누출의 위험도 높아 실용화하기에 아직 많은 기술적인 난관이 존재한다. In the conventional planer type SOFC, the remaining electrode or electrolyte is thinly coated and bonded to a fuel electrode or an electrolyte support to finally form a unit electrolyte-electrode assembly (hereinafter referred to as 'EEA'). When stacked, the unit cell is formed by electrically connecting an air electrode and a fuel electrode of the upper and lower unit cells, and interconnecting an electrically conductive metal material formed on both sides of gas channels for introducing fuel and air to each electrode. Done. In this type of flat type, the thickness of the 'EEA' layer has the advantage of being thin, but it is difficult to control the uniformity or flatness of the thickness due to the characteristics of the ceramic, and it is not easy to enlarge the size, and also for the stacking of unit cells, the EEA and the electrical connecting plate When alternately stacking, gas seals are used at the edge of the cell to seal the incoming gas. However, the softening temperature of glass-based materials used as sealing materials starts from about 600 ℃, but solid oxide fuel cells are usually operated at a high temperature of more than 750 ℃ to achieve the desired efficiency. There are still many technical hurdles to practical use.

이러한 평판형 셀(cell)의 단점들을 보충하기 위해서 평관형(flat tube type) 지지체를 이용한 단위 셀 및 스택 개발이 미국 특허 (US 6416897 및 US 6429051)에서 이루어지고 있다. 그러나 이 경우도 적층을 하기 위해서는 평관형 셀 외부에 공기 또는 연료극 가스를 도입시키기 위한 가스 유로와 전기적 연결을 위한 전기연결판이 추가적으로 사용된다. 이는 스택의 기계적 강도를 증가시키고 단위 전지 간 접촉면적을 넓혀 전력밀도를 증가시키지만, 전기연결판 재료가 금속인 특성 상 고온 운전 시 세라믹 재질인 EEA층 사이에서 기계적 및 열적 응력이 발생하는 문제점 등이 있다. In order to make up for the shortcomings of such flat cells, unit cells and stacks using flat tube type supports have been developed in US patents (US 6416897 and US 6429051). However, also in this case, in order to stack, a gas flow path for introducing air or anode gas to the outside of the flat cell and an electrical connection plate for electrical connection are additionally used. This increases the mechanical strength of the stack and widens the contact area between unit cells, increasing the power density.However, due to the nature of the electrical connection plate material, the mechanical and thermal stresses between the EEA layers, which are ceramics, occur during high temperature operation. have.

또한 고체산화물 연료전지는 세라믹으로 제작되는 특성 상 단위 셀 면적의 대면적화가 어렵고, 단위 셀들이 물리적으로 또한 전기적으로 직렬로만 연결되는 경우에는 특정 셀 하나의 성능이 나빠지면 바로 스택 전체의 성능이 똑같이 나빠지는 문제를 내포하고 있어서 제작 상 모든 셀들이 완벽하게 만들어지고 작동해야만 하는 어려운 숙제를 안고 있으며 따라서 특정 셀의 고장 시 스택 일부의 교체나 수리가 힘들거나 불가능하다.　 In addition, the solid oxide fuel cell is difficult to increase the area of the unit cell due to the characteristics of the ceramic, and when the unit cells are only physically and electrically connected in series, if the performance of one specific cell becomes worse, the performance of the entire stack becomes equally bad. The problem lies in the challenge of making all cells fully made and operational in production, so in the event of failure of a particular cell, replacement or repair of part of the stack is difficult or impossible.

일반적으로 고체산화물 연료전지는 고온 작동으로 인한 연료 사용면의 다양성이 충족되고 또한 MW급 용량 이상의 대규모 발전소 용으로 사용이 가능해지고 고온 배가스는 가스터빈(gas turbine)에 의한 추가 발전이 가능할 때 보다 나은 경쟁력이 있으나, 상기에 열거한 제반 문제점들로 인해서 현재는 단위 셀의 거대 면적화 및 스택의 MW급 이상 거대 규모화가 현실적으로 불가능한 상태이다.
In general, solid oxide fuel cells can be used for large-scale power plants with higher MW capacity and higher fuel efficiency due to high temperature operation, and high-temperature flue-gases are better when further generation is possible by gas turbines. Although it is competitive, due to the problems listed above, it is currently impossible to increase the area of the unit cell and the size of the stack larger than the MW level.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 기존의 고체산화물 연료전지는 단위 셀들의 제작에 있어서 대면적화가 어렵고 단위 셀들이 물리적으로 그리고 전기적으로 직렬로만 연결되어져 스택 내 모든 단위 셀들이 완벽하게 제조되고 작동되어져야만 하는 제조 상의 어려움, 단위셀의 대면적화 및 고 적층화에 의한 스택의 대형화 시 수반되는 기계적 응력 및 열 관리의 어려움 등의　제반 문제점들을　해결하면서도, 단위 셀의 대면적화가 소형 셀 모듈 유닛(unit)들을 밀착하여 쌓음으로써 가능하고 최종 스택 내 개개의 튜브 측(side) 및 쉘 측(shell side)로 연료가스 및 공기가 골고루 공급되어 열관리가 쉬우며 또한 셀 모듈 일부를 개질기와 혼용하여 제작하거나 최종 스택 내 평관형 개질기를 삽입하여 추가로 정교한 열관리가 가능하면서도 최종적으로는 스택의 대형화가 가능하고 또한 일부 셀의 고장 시 교체에 의한 수리가 가능한 새롭고도 진보된 형태의 스택 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. The problem to be solved in the present invention is that the conventional solid oxide fuel cell is difficult to make a large area in the production of the unit cells and the unit cells are only physically and electrically connected in series so that all the unit cells in the stack must be completely manufactured and operated. While solving the problems such as manufacturing difficulties, the large area of the unit cell, and the mechanical stress and thermal management difficulties associated with large stacks due to high stacking, the large area of the unit cell is small. Can be stacked in close contact with each other and the fuel gas and air are evenly supplied to the individual tube side and shell side in the final stack for easy thermal management. Inserting a flat tubular reformer allows for more sophisticated thermal management but ultimately It is to provide a new and advanced type of stack and a method of manufacturing the same that can be enlarged tack and can be repaired by replacement in case of failure of some cells.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 상기와 같은 문제들을 해결할 수 있는 단면이 원통형 또는 다각형 모양의 튜브형 지지체를 이용하여 길이 방향으로 중앙에 단위 셀들이 직렬 연결되고 양끝에 외형이 사각링 형태의 전기연결재 및 밀봉재가 장착된 셀 모듈 유닛, 상기 셀 모듈 유닛들을 다시 일정 갯 수 밀착하여 쌓은 후 양끝에 전기 집전 및 가스유로용 쳄버를 장착하고 소결하여 쳄버 부분의 튜브 사이를 밀봉시키고 전기적으로 병렬 연결시켜 최종적으로 단위 셀이 직렬 및 병렬로 혼합 연결된 단위 스택, 다시 상기 단위 스택들 일정 갯 수를 일정한 틈새를 두고 쌓은 후 튜브 내 단위 셀이 형성된 중앙부 만을 하나의 핫 박스(Hot box)에 넣고 단위 스택 내 양끝 쳄버들은 핫 박스 밖에 노출시켜 전기적으로 병렬, 직렬 또는 직병렬 혼합으로 연결하여 직렬 및 병렬이 혼합되어 대형화된 스택 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to use the tubular support of the cylindrical or polygonal cross-section cross section that can solve the above problems in the unit cell in series in the center in the longitudinal direction and the outer shape of the rectangular ring shape at both ends And a cell module unit equipped with a sealing material, and the cell module units are piled up in close contact with each other again, and the chambers for electrical current collecting and gas flow paths are mounted at both ends and sintered to seal and electrically connect the tubes in the chamber part to the final connection. By stacking unit cells connected in series and in parallel, and stacking a certain number of unit stacks with a predetermined gap, the center part where the unit cells are formed in a tube is placed in one hot box, and both ends of the unit stack The chambers are exposed outside the hot box and electrically connected in parallel, series or series The series and parallel to this a mixture of large-sized stacks, and to provide a method of manufacturing the same.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 기존의 고체산화물 연료전지의 제조 상의 제반 문제가 해결되고 소형 단위 셀들을 모듈화하여 반복적으로 쌓아 병렬 연결에 의한 전기 발생 면적의 대면적화가 가능하며 직렬 연결에 의해 높은 전압을 얻을 수 있으면서도 열관리가 쉽고 특정 셀의 고장 시 해당 셀 모듈 유닛의 교체로 즉각 수리가 가능한 새로운 형태의 고체산화물 연료전지용 스택 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
Another problem to be solved by the present invention is to solve all the problems in the manufacturing of the conventional solid oxide fuel cell, and to modularize small unit cells repeatedly stacked, it is possible to increase the large area of electricity generation by parallel connection and high by series connection It is to provide a new type of solid oxide fuel cell stack and a method of manufacturing the same, which is capable of obtaining a voltage but is easy to manage thermally and can be repaired immediately by replacing a corresponding cell module unit in the event of a specific cell failure.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서,　본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 스택은 단면이 원통형 또는 다각형 모양으로 된 튜브형 지지체의 외부면 중앙에 길이 방향으로 복수 개의 단위 셀 을 반복 형성하고 단위 셀 사이 반대 극 끼리 전기연결재 (Interconnect)로 연결한 후, 양쪽 말단 단위 셀들에 외형이 사각형태로 된 전기연결재 (Interconnect) 링(Ring)을 끼워 장착하여 연접하고 그 옆에 같은 모양의 스페이서(Spacer), 가스 밀봉재, 스페이서로 구성된 커플링 링(Coupling Ring)들을 끼워 셀들이 직렬 연결된 셀 모듈 유닛를 완성하는 단계; 및In order to achieve the above object, the stack for a solid oxide fuel cell according to the present invention repeatedly forms a plurality of unit cells in the longitudinal direction in the center of the outer surface of the tubular support having a cylindrical or polygonal cross section and opposite poles between the unit cells. After connecting with each other, each terminal unit cell is fitted with a rectangular shape of an interconnecting ring, which is connected to each terminal unit, and connected to each other. Inserting coupling rings composed of spacers to complete a cell module unit in which cells are connected in series; And

상기 셀 모듈 유닛 일정 갯 수를 밀착하여 쌓아 스택 베이스를 만들고 상기 스택 베이스의 양끝 링(Ring) 장착 부분에 전기집전체와 함께 가스쳄버를 장착한 후, 고온으로 가열하여 밀봉재를 녹여서 최종적으로 튜브들이 양끝 부분에서 밀봉되고 전기적으로는 병렬 연결되어져 단위 셀들 기준으로 최종적으로 직렬-병렬로 혼합 연결되어진 단위 스택을 완성하는 단계; 및Stacking by stacking a certain number of the cell module unit closely to make a stack base, and equipped with a gas chamber together with an electrical current collector on both ends of the ring mounting portion of the stack base, and heated to a high temperature to melt the sealing material and finally the tubes A unit stack sealed at both ends and electrically connected in parallel to be finally mixed in series-parallel on a unit cell basis; And

상기 단위 스택들 일정 갯 수를 서로 전기적 접촉이 되지 않게 일정한 거리를 두고 상하 좌우로 배열하여 스택 모듈을 제조하되 상기 스택 내 튜브에 형성된 단위 셀들이 있는 반응부 만 핫 박스(Hot Box)내에 장착하고 양끝 쳄버들은 Hot box 밖으로 노출되고 전기적으로 직렬, 병렬, 또는 직병렬로 연결되어질 수 있는 대형화된 스택 모듈이 제공되며, 상기 스택 상에서 제2가스는 핫 박스(Hot box)의 한쪽 면으로 유입되어 개개의 튜브 쉘(Shell) 사이의 공간을 지나 반대쪽으로 배출되며 제1가스는 각각의 단위 스택의 한쪽 끝 쳄버로 유입되어 튜브들 내 내부 체널들을 지나 반대 쪽 쳄버로 배출되거나 또는 스택 내 셀 모듈 유닛들을 하나의 쳄버로 통합하여 제1가스를 유입 배출시킴으로써 두 이종 가스가 서로 혼합되지 않고 연료전지 반응이 진행될 수 있는 것을 특징으로 한다. A stack module is manufactured by arranging a predetermined number of unit stacks up and down and left and right at a predetermined distance so as not to be in electrical contact with each other. Both ends of the chambers are provided with an enlarged stack module that can be exposed out of the hot box and electrically connected in series, in parallel, or in parallel, on which the second gas flows into one side of the hot box and is individually The first gas is introduced into one end chamber of each unit stack and discharged through the inner channels in the tubes to the opposite chamber or the cell module units in the stack. By integrating and discharging the first gas into one chamber, the fuel cell reaction can proceed without mixing two dissimilar gases. It is characterized by.

상기 스택은 병렬 연결에 의한 반응면적의 대면적화와 함께 직렬 연결에 의한 고 전압화를 쉽게 달성하면서도 대용량의 스택 모듈 제작이 가능하고 또한 스택 내 특정 셀의 고장이나 효율 저하 시 해당되는 단위 스택을 쉽게 인출하고 새로운 것으로 교체할 수가 있어서 수리가 가능한 새롭고도 진보된 스택을 제조하는 것을 특징으로 한다. The stack can easily produce high capacity stack modules while achieving high voltage by series connection with large area of reaction area by parallel connection, and easily applicable unit stack in case of failure or efficiency of a specific cell in the stack. It features the ability to make new and advanced stacks that can be withdrawn and replaced with new ones.

상기 스택은 반복 유닛인 단위 스택 내 제1가스가 개개의 튜브 내부 체널로 유입되고 제2가스도 각각의 튜브들의 쉘 사이드를 모두 통과되기 때문 스택 내 열 편차 제어나 열 관리가 훨씬 쉬우며, 또한 단위 스택 내 셀 모듈 유닛 일부를 동일한 모양과 크기의 개질기 튜브와 혼용하여 제작하거나 스택 내 단위 스택 사이에 평관형 개질기를 삽입하여 보다 정교한 추가적인 열관리를 가능하게 하는 것을 특징으로 한다.In the stack, since the first gas in the unit stack, which is a repeating unit, is introduced into the individual tube inner channel, and the second gas passes through the shell side of each tube, it is much easier to control or control thermal deviation in the stack. Part of the cell module unit in the unit stack may be mixed with a reformer tube of the same shape and size, or a flat tube reformer may be inserted between the unit stacks in the stack to enable more sophisticated additional thermal management.

본 발명에 있어서, 상기 튜브형 지지체는 비전도성 재질로 다공성의 튜브 형태로 제조되며 그 모양은 단면이 원통형, 사각형, 다각형 등 어떤 형태로도 사용이 가능하며 관 내부에 길이 방향으로 1개 이상의 제1가스 흐름용 채널 (이하 ‘제1가스채널’이라 함)이 존재하게 되고 제2가스 흐름용 채널 (이하, '제2가스채널' 이라함) 튜브 양쪽 끝에 끼워서 장착된 사각 링 형태의 스페이서에 의해 튜브를 쌓을 경우에 튜브 쉘(Shell) 사이에 생겨난 틈새 공간에 의해 생성된다. In the present invention, the tubular support is made of a non-conductive material in the form of a porous tube, the shape of which can be used in any form, such as cylindrical, rectangular, polygonal cross section and at least one first in the longitudinal direction inside the tube. The gas flow channel (hereinafter referred to as the 'first gas channel') is present and the second gas flow channel (hereinafter referred to as the 'second gas channel') is provided by a rectangular ring spacer mounted on both ends of the tube. Stacking of tubes is created by the gap spaces created between the tube shells.

본 발명에 있어서, 상기 지지체의 외측면에 제1가스용 전극층 (이하 “제1전극층” 이라 칭함), 전해질층 및 제2가스용 전극층 (이하 ‘제2전극층’ 으로 명함)으로 구성된 전극-전해질 조합 (EEA, Electrolyte-Electrode Assembly)으로 된 단위 셀이 길이방향으로 반복하여 복수 개가 형성되고 단위 셀 간 반대 극 끼리 전기연결재로 반복 연결되며 양끝 단위셀의 말단 전극에는 외형이 사각 형태인 전기연결재 링을 튜브에 끼우고 연결하며, 그 옆에 스페이서, 가스밀봉재, 스페이서로 구성된 커플링(Coupling Ring)들을 튜브에 끼워 장착하여 최종적으로 단위 셀이 직렬로 연결된 기본적인 셀 모듈 유닛을 완성하게 된다.In the present invention, an electrode-electrolyte composed of an electrode layer for a first gas (hereinafter referred to as “first electrode layer”), an electrolyte layer and a second gas electrode layer (hereinafter referred to as a “second electrode layer”) on an outer surface of the support. A plurality of unit cells composed of an Electrolyte-Electrode Assembly (EEA) are repeated in the longitudinal direction, and a plurality of unit cells are repeatedly formed, and the opposite poles between the unit cells are repeatedly connected by electrical connectors. And the coupling ring consisting of spacers, gas sealants and spacers are inserted into the tubes to complete the basic cell module unit in which the unit cells are connected in series.

본 발명에 있어서, 상기 셀 모듈 유닛들을 일정 갯 수 다시 밀착시켜 쌓아서 일정 크기의 단위 스택을 완성하게 되며, 상기 단위 스택의 양끝에 전기집전체와 제1가스 도입 및 배출을 위한 가스 쳄버를 장착하고 수직으로 세운 후 양끝 링들이 장착된 부분들 만 환원 분위기로에 안에 넣고 고온에서 밀봉재를 녹여서 튜브 사이 사이와 쳄버 내벽 사이를 밀봉함으로써 셀 모듈 유닛들 양끝이 전기적으로 병렬 연결되어 최종적으로는 단위 셀들이 직렬-병렬 연결된 단위 스택를 완성하게 되고 상기 단위 스택은 그 자체로 최종 스택으로 사용되거나, 보다 대형화 된 스택 제조를 위한 기본 유닛으로 사용된다. In the present invention, the cell module units are stacked in close contact with a predetermined number to complete a unit stack having a predetermined size, and a gas chamber for introducing and discharging an electric current collector and a first gas is installed at both ends of the unit stack. After erecting vertically, only the parts equipped with both ends rings are put in the reducing atmosphere, and the sealing material is melted at high temperature to seal between the tubes and the inner wall of the chamber, so that both ends of the cell module units are electrically connected in parallel. A series-parallel connected unit stack is completed and the unit stack is used as the final stack by itself or as a basic unit for manufacturing a larger stack.

본 발명에 있어서, 상기 단위 스택들 일정 갯 수를 다시 단위 스택들끼리 전기 접촉이 되지 않도록 일정 거리를 두고 상하 또는 상하좌우로 배열하되 바람직하게는 칸막이가 된 랙 상에 배치하여 설치 시 삽입이나 교체 시 인발이 가능하도록 하고, 배열된 단위 스택들 중앙의 단위 셀들이 형성된 반응부분은 핫 박스 내에 넣어지고 양끝 쳄버 부분은 핫 박스 밖으로 나오게 하여 필요 시 가스 냉각에 의해 밀봉재가 녹는 것을 방지하도록 하며 단위 스택 사이 전기적 연결은 단위 스택을 같은 전극 방향으로 배열하여 병렬 연결되게 하거나 전극 방향을 전치하여 직렬 연결하거나 또는 직병렬 혼합 연결을 할 수도 있다. 최종 스택 내 제1가스 유입 및 배출하기 위한 배관은 각각의 단위 스택 상의 쳄버들에 설치하거나 또는 전체를 모아 스택 내 통합 쳄버를 만들어 설치할 수 있으며, 이때 제1가스는 유입 쳄버를 통해 개개의 튜브 내부 체널을 지나 배출 쳄버로 나오게 되며, 제2가스는 핫 박스(Hot box)의 한 면으로 들어가 각각의 튜브의 쉘 사이를 지나 핫 박스의 다른 면으로 배출되게 된다.In the present invention, the predetermined number of unit stacks are arranged in a vertical space or up, down, left and right at a predetermined distance so that the unit stacks do not come into electrical contact with each other. It is possible to draw at a time, and the reaction part in which the unit cells in the center of the arranged unit stacks are formed is put in the hot box and both chamber parts come out of the hot box to prevent melting of the sealant by gas cooling if necessary. The electrical connection may be arranged in parallel by arranging the unit stacks in the same electrode direction, in series connection by displacing the electrode directions, or in a series-parallel mixed connection. Piping for the inlet and outlet of the first gas in the final stack may be installed in the chambers on each unit stack, or aggregated to create an integrated chamber in the stack, where the first gas may be installed in individual tubes through the inlet chamber. Passing through the channel and into the discharge chamber, the second gas enters one side of the hot box and passes between the shells of each tube to be discharged to the other side of the hot box.

본 발명의 일 실시에 있어서, 보다 정교한 열관리를 위해서 튜브 내부 체널로 흐르는 제1가스가 수소일 경우에는 연료전지 반응 시 발열에 의한 스택 내 온도 편차를 줄이고 열 조절을 쉽게 하기 위해 일부 셀 모듈 유닛들을 개질촉매가 장착된 개질기 유닛으로 대체하여 셀 모듈 유닛과 개질기 유닛을 혼합하여 쌓은 혼합형 단위 스택을 제작할 수도 있으며, 이 경우 개질기 유닛은 셀 모듈 유닛의 한 쪽을 막고 튜브 바깥 또는 내부 체널의 표면을 밀봉한 다음 튜브 내부에 개질촉매를 피복하여 완성되며 이때 상기 혼합형 셀 모듈 유닛을 사용한 단위 스택의 한쪽 끝은 가스 쳄버를 이중으로 하여 첫 번째 쳄버에 유도 튜브를 장착한 후 개질기 내부 체널 안쪽으로 탄화수소가 삽입되도록 하여 탄화수소가 개질기 튜브 안쪽에서 개질된 후 개질된 수소 함유 가스는 두번째 쳄버 내로 역류로 흘러나와 이웃한 셀 모듈 ㅂ베이스의 내부 체널들로 바로 유입될 수 있도록 한다. In one embodiment of the present invention, when the first gas flowing into the inner channel of the tube is hydrogen for more sophisticated thermal management, some cell module units are used to reduce temperature variation in the stack due to heat generation during fuel cell reaction and to facilitate heat control. Alternatively, a reformer unit equipped with a reforming catalyst may be replaced to produce a mixed unit stack in which the cell module unit and the reformer unit are stacked, in which case the reformer unit blocks one side of the cell module unit and seals the surface of the outer or inner channel of the tube. Then, it is completed by coating the reforming catalyst inside the tube. At this time, one end of the unit stack using the mixed cell module unit has a gas chamber doubled and an induction tube is mounted in the first chamber, and hydrocarbon is inserted into the reformer inner channel. So that the hydrocarbon is reformed inside the reformer tube and then reformed hydrogen Gases to be directly introduced into the internal channel of the backflow cell module f a base that flows into the neighboring second chamber.

본 발명의 일 실시에 있어서, 보다 정교한 열관리를 위해서 튜브 내부 체널로 흐르는 제1가스가 공기일 경우 대형화 된 스택의 핫 박스안에 일정한 거리를 두고 배열된 단위 스택들의 틈새 사이에 내부 채널에 개질촉매가 장착된 평관형 개질기를 삽입한 후 탄화수소를 사용하여 개질기에서 흡열 개질반응을 일으켜 연료전지 반응에 의한 스택 내 열 발생을 추가로 조절한다. In one embodiment of the present invention, for more sophisticated thermal management, if the first gas flowing into the inner channel of the tube is air, the reforming catalyst is formed in the inner channel between the gaps of the unit stacks arranged at a certain distance in the hot box of the enlarged stack. After the fitted flat tube reformer is inserted, an endothermic reforming reaction is performed in the reformer using hydrocarbons to further control heat generation in the stack by the fuel cell reaction.

본 발명은 일 측면에 있어서, 고체산화물 연료전지용 스택이 튜브형 지지체 내부에 형성된 체널이 제1가스 체널로 사용되는 지지체; 상기 지지체의 외부면 중앙에 길이 방향으로 제1전극층, 전해질층, 제2전극층으로 이루어진 단위 셀이 복수 개 형성되고 양끝 단위 셀 말단 전극들에는 튜브에 끼워져 사각 형태로 된 전기연결재 링이 연접되고; 상기 전기연결재 링 옆에 스페이서, 밀봉재, 스페이서의 Coupling 링을 장착하여 구성된 셀 모듈 유닛; 및 상기 셀 모듈 유닛들을 상하좌우로 쌓을 시 튜브들의 Shell 쪽 사이에서 제2가스 체널들이 형성되는 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, a channel for forming a solid oxide fuel cell stack is formed in a tubular support, and a support is used as a first gas channel; A plurality of unit cells including a first electrode layer, an electrolyte layer, and a second electrode layer are formed in the center of the outer surface of the support in a longitudinal direction, and a rectangular electrical connector ring is connected to both ends of the unit cell terminal electrodes by fitting into a tube; A cell module unit configured to mount a spacer, a sealing material, and a coupling ring of the spacer next to the electrical connector ring; And second gas channels formed between shell sides of the tubes when the cell module units are stacked up, down, left, and right.

본 발명은 일 측면에 있어서, 상기 셀 모듈 유닛들을 밀착되게 쌓은 후, 양끝에 전기집전체 및 가스 유입과 배출 및 분산을 위한 가스쳄버를 장착하고 고온 소결하여 밀봉재를 녹여 쳄버 부분 셀 모듈 유닛 사이와 셀 모듈 유닛와 쳄버 사이가 밀봉되고 셀 모듈 유닛들이 전기적으로 단위 셀 말단에서 병렬 연결되어 최종적으로는 단위 셀들이 직렬-병렬 연결된 단위 스택을 제작하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, after stacking the cell module units in close contact with each other, an electric current collector and a gas chamber for gas inflow, discharge, and dispersion are mounted at both ends, and a high temperature sinter is melted to melt the sealing material. The cell module unit and the chamber are sealed and the cell module units are electrically connected in parallel at the end of the unit cell to finally produce a unit stack in which the unit cells are series-parallel connected.

본 발명은 일 측면에 있어서, 상기 셀 모듈 유닛 를 이용하여 내부 체널 한쪽을 막고 외부면 또는 내부면 표면을 밀봉한 후 내부 체널에 개질촉매를 도포한 내부개질형 개질기 유닛을 제조하고 상기 개질기 유닛와 기존의 셀 모듈 유닛을 번갈아 혼합하여 쌓은 후, 한 끝에는 전기집전체와 함께 탄화수소 유입 및 개질된 수소함유 원료 유입용 이중 쳄버를 장착하고 앞의 첫번째 쳄버로 유입된 탄화수소 함유 가스가 유도관을 통해 개질기 유닛의 튜브 안쪽으로 유입되고 개질된 가스는 역류로 돌아 나와 두번째 쳄버를 거쳐서 이웃한 셀 모듈 유닛의 내부체널로 바로 유입되며 반대쪽 끝은 전기집전체 및 배출 쳄버가 장착되어 반응 후 가스가 최종 배출되는 연료전지 및 개질기 혼합형 단위 스택을 제작하는 것을 특징으로 한다. In an aspect, the present invention provides an internal reforming reformer unit which covers one side of an inner channel and seals an outer surface or an inner surface using the cell module unit, and then applies a reforming catalyst to the inner channel, and then reforms the unit and the existing unit. After alternating stacking of the cell module units, one end is equipped with a double chamber for hydrocarbon inflow and a reformed hydrogen-containing raw material inlet with an electrical current collector, and the hydrocarbon-containing gas introduced into the first chamber is introduced through the reformer unit. The reformed gas flows back into the counter flow and flows directly through the second chamber to the inner channel of the neighboring cell module unit. The opposite end is equipped with an electrical current collector and an exhaust chamber, and the gas is finally discharged after the reaction. A cell and a reformer mixed unit stack are fabricated.

본 발명은 일 측면에 있어서, 상기 단위 스택들을 집적하여 대형화 함에 있어서, 핫 박스 좌우면에 단위 스택 단면도 크기의 구멍를 일정하게 내고 상기 핫 박스 좌우에는 단위 스택 장착용 Slide용 Box가 일정하게 배열되고 전기 절연이 된Rack을 세운 후 단위 스택들을 좌측 Rack, 핫 박스, 우측 Rack에 걸쳐 밀어 넣어 장착하는 방법으로 일정한 거리를 두고 상하 좌우로 배열한다. 이때 단위 스택의 중앙 반응부는 핫 박스내에 속하고 양끝 쳄버 부분은 핫 박스 밖으로 노출되어 밀봉재가 녹는 것을 막고 외부에 노출된 쳄버들 끼리는 전기적으로 병렬, 직렬, 또는 직병렬이 혼합되도록 연결되고 제 2가스는 핫 박스 내로 유입시켜 개개의 튜브들의 Shell사이로 흐르며 제1가스는 핫 박스에 외부의 단위 스택 양끝 쳄버들 과 개개의 튜브의 내부 체널로 흘러서 이종 가스의 혼입 염려가 없으면서 대형화되고 고밀도로 집적된 스택을 제조하게 된다.According to an aspect of the present invention, in the enlargement of the unit stacks, the unit stack has a hole having a cross-sectional size of the unit stack on the left and right sides of the hot box, and the unit stack mounting slide box is constantly arranged on the left and right sides of the hot box. After the rack is insulated, the unit stacks are pushed over the left rack, hot box, and right rack to install them. At this time, the central reaction part of the unit stack belongs to a hot box, and both chamber parts are exposed out of the hot box to prevent the sealing material from melting, and the chambers exposed to the outside are electrically connected in parallel, in series, or in parallel to each other. Flows into the shell of the individual tubes and flows between the shells of the individual tubes, and the first gas flows into the outer unit stack chambers of the hot box and into the inner channel of the individual tubes so that there is no risk of mixing of heterogeneous gases. It will be prepared.

본 발명은 일 측면에 있어서, 내부에 제1가스채널이 형성된 튜브형 지지체 외면에 하나 이상의 연료전지용 단위셀과 상기 단위셀의 제1전극 및 제2전극과 연결된 전기연결재가 형성된 복수의 셀모듈 유닛들이 외면에 제2가스유로가 형성되도록 이격되어 적층되고, 상기 셀모듈 유닛은 전기적으로 병렬 연결된 고체산화물 연료전지용 단위 스텍을 제공한다. According to an aspect of the present invention, a plurality of cell module units having at least one fuel cell unit cell and an electrical connection member connected to first and second electrodes of the unit cell are formed on an outer surface of a tubular support having a first gas channel formed therein. The second gas flow path is formed to be spaced apart from each other so as to form a second gas passage, and the cell module unit provides a unit stack for a solid oxide fuel cell electrically connected in parallel.

본 발명은 다른 일 측면에 있어서, 튜브형 지지체의 내부에는 제1가스채널이 형성되고, 외부면의 중앙부에 전기적으로 직렬로 연결된 복수의 연료전지용 단위셀이 형성되고, 상기 튜브형 지지체의 양단에는 상기 단위셀의 제1전극 및 제2전극에 각각 연결된 전기연결재가 일정 두께로 형성되고, 지지체 외면에 제2 가스채널을 형성된 복수의 셀모듈 유닛이 상기 전기연결재가 병렬 연결되도록 적층된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍을 제공한다. According to another aspect of the present invention, a first gas channel is formed inside the tubular support, and a plurality of fuel cell unit cells electrically connected in series at the center of the outer surface are formed, and the unit is provided at both ends of the tubular support. A plurality of cell module units each having an electrical connection material connected to the first electrode and the second electrode of the cell to a predetermined thickness and having a second gas channel formed on the outer surface of the support are stacked in such a manner that the electrical connection materials are connected in parallel. A unit stack for an oxide fuel cell is provided.

본 발명은 다른 일 측면에 있어서, 내부에 제1가스채널이 형성된 튜브형 지지체 외면에 하나 이상의 연료전지용 단위셀과 상기 단위셀의 제1전극 및 제2전극과 연결된 전기연결재가 형성된 복수의 셀모듈 유닛들이 외면에 제2가스유로가 형성되도록 이격되어 적층되고, 상기 셀모듈 유닛은 전기적으로 병렬 연결된 복수의 고체산화물 연료전지용 단위 스텍을 적층하고, 상기 단위 스텍들을 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결한 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지용 스텍 모듈을 제공한다. According to another aspect of the present invention, a plurality of cell module units in which at least one fuel cell unit cell and an electrical connection member connected to the first electrode and the second electrode of the unit cell are formed on an outer surface of a tubular support having a first gas channel formed therein. Are stacked to be spaced apart so that a second gas flow path is formed on the outer surface, and the cell module unit stacks a plurality of unit oxide stacks electrically connected in parallel, and electrically connects the unit stacks in series and / or in parallel. Provided are a stack module for a solid oxide fuel cell.

본 발명은 다른 일 측면에 있어서, 내부에 제1가스채널이 형성된 튜브형 지지체 외면에 복수의 연료전지용 단위셀이 직렬로 연결되어 형성되고, 튜브형 지지체의 양측에는 상기 단위셀의 제1전극 및 제2전극에 각각 연결되는 링 형상의 전기연결재와 스페이서가 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀모듈 유닛을 제공한다. According to another aspect of the present invention, a plurality of fuel cell unit cells are formed in series on an outer surface of a tubular support having a first gas channel formed therein, and both first and second electrodes of the unit cell are formed on both sides of the tubular support. Provided is a cell module unit for a solid oxide fuel cell, wherein a ring-shaped electrical connection member and a spacer are respectively connected to the electrodes.

본 발명은 일 측면에 있어서, 내부에 제1가스채널이 형성된 튜브형 지지체 외면에 하나 이상의 연료전지용 단위셀과 상기 단위셀의 제1전극 및 제2전극과 연결된 전기연결재가 형성된 복수의 셀모듈 유닛을 제조하는 단계; 상기 셀모듈들을 상기 전기연결재가 연접하면서 전기적으로 병렬로 연결되도록 적층하여 튜브형 지지체의 외면에 제2가스유로가 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍 제조 방법을 제공한다.
According to an aspect of the present invention, a plurality of cell module units having at least one fuel cell unit cell and an electrical connection material connected to first and second electrodes of the unit cell are formed on an outer surface of a tubular support having a first gas channel formed therein. Manufacturing; The cell modules are stacked to be electrically connected in parallel while being electrically connected to each other, thereby providing a unit stack manufacturing method for a solid oxide fuel cell, wherein a second gas flow path is formed on an outer surface of a tubular support.

본 발명에 의해 제작되어진 최종 스택은 내부에 제1가스 흐름용 체널이 형성된 튜브형 지지체 외부면에 길이 방향으로 다수 개의 단위 셀이 직렬 연결된 셀 모듈 유닛의 양끝 단위셀의 말단 전극들과 연결되는 전기연결재 링, 그 옆에 이웃하여 밀봉재 링및 스페이서 링을 끼워서 장착한 셀 모듈 유닛을 일정 갯 수 쌓은 후 양끝에 전기집전체와 가스 도입 및 배출용 쳄버를 장착하고 고온 소결 밀봉하여 전기적으로 단위 셀들이 직렬-병렬 혼합 연결된 단위 스택을 제작하며, 다시 상기 단위 스택들을 일정 거리를 두고 상하 좌우로 배열하고 중앙 반응부는 핫 박스에 넣고 양끝 쳄버들은 핫 박스 밖으로 노출되게 하고 단위 스택은 직렬, 병렬, 또는 직-병렬이 혼합되는 스택을 제작함으로써 최종 스택 내 단위 셀들이 전기적으로 병렬 연결에 의한 셀 대면적화가 달성되는 효과와 함께 전기적 직렬 연결에 의한 고 전압의 달성을 가능하게 하면서도 스택의 제조가 쉽고, 또한 셀 모듈 유닛 내부에 또는 셀 모듈 유닛 사이에 내부개질 반응기를 도입하여 추가적인 열 제어가 용이하고 스택이 모듈화 되어 특정 셀이나 모듈의 성능저하나 고장 시 해당되는 단위 스택의 교체가 바로 가능한 새로운 형태의 일체형 스택 및 그 제작 방법을 제공한다.　　
The final stack fabricated by the present invention is an electrical connection member connected to the terminal electrodes of both ends of the unit cell of the cell module unit in which a plurality of unit cells are connected in series in the longitudinal direction on the outer surface of the tubular support having the first gas flow channel formed therein. After stacking a certain number of cell module units equipped with a ring, a seal ring, and a spacer ring adjacent to each other, an electric current collector and a gas introduction and discharge chamber are installed at both ends, and the unit cells are electrically connected by high temperature sinter sealing. The unit stacks are connected in parallel, and the unit stacks are arranged up, down, left and right at a certain distance, the central reaction unit is placed in a hot box, and both chambers are exposed out of the hot box, and the unit stacks are in series, parallel, or series. By creating a stack with parallel mixing, unit cells in the final stack face cells by electrically parallel connection It is easy to manufacture the stack while enabling the achievement of high voltages by means of electrical series connection with the effect achieved by the electrical series connection, and the addition of an internal reforming reactor inside the cell module unit or between the cell module units to facilitate further thermal control and stack This modularization provides a new type of integrated stack and its fabrication method that can immediately replace the unit stack in case of failure or failure of a specific cell or module.

도 1은 본 발명에 따른 내부 채널을 가지는 튜브형 지지체의 입체도.
도 2는 본 발명에 따른 지지체 중앙부에 단위 셀을 형성시킨 셀 모듈 base의 길이 방향 절개도.
도 3은 본 발명에 따른 외면이 사각 형태의 지지체 튜브 장착용 링의 입체도.
도 4a는 본 발명에 따른 제1가스가 연료인 경우. 지지체 중앙부에 단위 셀을 형성시킨 셀 모듈 base의 양끝에 전기연결재, 스페이서, 밀봉재, 스페이서 링을 장착한 셀 모듈의 길이 방향 절개도.
도 4b는 본 발명에 .따른 제1가스가 공기인 겨우 지지체 중앙부에 단위 셀을 형성시킨 셀 모듈 base의 양끝에 전기연결재, 스페이서, 밀봉재, 스페이서 링을 장착한 셀 모듈의 길이 방향 절개도.
도 5는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀 모듈들을 상하좌우로 쌓아서 단위 셀이 전기적으로 직렬-병렬 혼합 연결된 단위 스택의 길이 방향 절개도.
도 6는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 단위 스택들을 일정 거리를 두고 상하좌우로 쌓아서 제작된 최종 스택의 길이 방향 절개도.
도 7는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 단위 스택들을 일정 거리를 두고 상하좌우로 쌓아서 제작된 최종 스택의 단면 절개도.
도 8는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 단위 스택들을 일정 거리를 두고 상하좌우로 쌓아서 제작된 최종 스택 내 제1가스 유입 및 배출용 쳄버가 하나로 통합된 경우의 길이 방향 절개도.
도 9는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 스택 내 단위 스택들의 입구 쪽 쳄버 (도9a)와 출구 쪽 쳄버 (도9b)의 전기 연결 나타낸 조감도.
도 10은 본 발명에 따른 셀 모듈 base용 튜브로 제작되어진 직접 내부개질용 반응기의 길이 방향 절개도.
도 11은 본 발명에 따른 단위 스택 내 셀 모듈용 튜브와 직접 내부개질용 튜브가 혼용되어 차례로 장착되어 제작되어지는 단위 스택의 길이 방향 절개도.
도 12는 본 발명에 따른 최종 스택시스템 내의 단위 스택 사이에 평관형 내부 개질기를 장착해서 제작된 스택의 단면 절개도.1 is a stereoscopic view of a tubular support having internal channels according to the present invention.
2 is a longitudinal cutaway view of a cell module base in which a unit cell is formed in a central portion of a support according to the present invention;
Figure 3 is a three-dimensional view of the support tube mounting ring of the outer surface of the square according to the present invention.
Figure 4a is a case where the first gas according to the present invention is a fuel. A longitudinal cutaway view of a cell module in which electrical connectors, spacers, sealing materials, and spacer rings are mounted at both ends of a cell module base in which a unit cell is formed at the center of a support.
4B is a longitudinal cutaway view of a cell module equipped with an electrical connection member, a spacer, a sealing member, and a spacer ring at both ends of a cell module base in which a unit cell is formed at the center of the support only when the first gas according to the present invention is air;
5 is a longitudinal cutaway view of a unit stack in which unit cells are electrically connected in series-parallel mixture by stacking cell modules for a solid oxide fuel cell according to the present invention.
6 is a longitudinal cutaway view of a final stack produced by stacking unit stacks for a solid oxide fuel cell according to the present invention at a predetermined distance up, down, left and right.
FIG. 7 is a cross-sectional cutaway view of a final stack fabricated by stacking unit stacks for solid oxide fuel cells according to the present invention in a vertical distance from a predetermined distance.
FIG. 8 is a longitudinal cutaway view when the first gas inlet and exhaust chambers are integrated into one final stack manufactured by stacking unit stacks for a solid oxide fuel cell according to the present invention at a predetermined distance up, down, left, and right.
9 is a bird's eye view of the electrical connection of the inlet chamber (FIG. 9A) and the outlet chamber (FIG. 9B) of the unit stacks in the stack for a solid oxide fuel cell according to the present invention.
10 is a longitudinal cutaway view of a reactor for direct internal reforming made of a cell module base tube according to the present invention;
FIG. 11 is a longitudinal cutaway view of a unit stack in which a cell module tube and a direct internal reforming tube in a unit stack according to the present invention are mixed and mounted in turn.
12 is a cross-sectional cutaway view of a stack fabricated by mounting a planar internal reformer between unit stacks in a final stack system in accordance with the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 대해 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하고자 하나 본 발명이 여기에 국한되는 것은 아니다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited thereto.

본 발명에 이용되는 고체산화물 연료전지용 스택을 제조하기 위해 사용되는 지지체 (101)은 기체가 투과할 수 있게 다공성이고 재질이 부도체이며 고온에서 안정하면 기본적으로 어떤 재료도 사용 가능하며, 그 모양은 도 1에서 보는 것처럼 단면이 원통 (101a), 사각형 (101b), 또는 기타 다각형의 형태를 하고 내부에 길이 방향으로 1개 이상의 제1가스흐름용 채널 (1)이 존재하게 된다. The support 101 used to manufacture the stack for the solid oxide fuel cell used in the present invention is basically any material can be used as long as it is porous to allow gas permeation and the material is insulator and stable at high temperatures. As shown in Fig. 1, the cross section is in the form of a cylinder 101a, a rectangle 101b, or other polygons, and there is at least one first gas flow channel 1 in the longitudinal direction therein.

상기 지지체를 이용한 고체산화물 연료전지용 단위 셀이 직렬 연결된 셀 모듈 base (102)의 제작은 도2 길이 방향의 상하 절개도에서 보는 것 처럼 지지체 상의 외부 면에 전극, 전해질 및 전기연결재를 포함하는 층으로 구성된 복수 개의 단위 셀들을 일정한 간격으로 반복하여 형성시키게 된다. 각각의 단위 셀은 도2에서 보는 것처럼 제1전극층 (11),　 전해질층 (12), 제2전극층 (13)을 차례로 피복하여 이루어지며 단위 셀 간의 반대극을 전기연결재 (14)로 연결하여 적층하고 셀의 양끝 말단에 노출된 제1전극층 (11)과 제2전극층 (13)을 각각의 전기연결재층 (18, 19)으로 연결하여 피복하게 된다. 이때 피복되는 전해질층 (12) 및 전기연결재층 (14, 18, 19)들은 지지체 내 외측 간 이종 가스의 혼합을 막기 위해 피복 후 소결 시 치밀막이 형성되는 것이 필수적이다.　 Fabrication of a cell module base 102 in which unit cells for a solid oxide fuel cell are connected in series using the support is a layer including an electrode, an electrolyte, and an electrical connection material on an outer surface of the support as shown in the vertical cutaway view of FIG. 2. A plurality of configured unit cells are repeatedly formed at regular intervals. Each unit cell is formed by covering the first electrode layer 11, the electrolyte layer 12, and the second electrode layer 13 in order as shown in FIG. 2, and stacking the opposite electrodes between the unit cells by connecting the electrical connection material 14 to each other. The first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 exposed at both ends of the cell are connected to each other by connecting the electrical connection layers 18 and 19 to each other. At this time, it is essential that the electrolyte layer 12 and the electrical connector layers 14, 18, and 19 to be coated have a dense film formed during sintering after coating in order to prevent mixing of heterogeneous gases between the outside in the support.

상기 도 2의 셀 모듈 base (102) 상에 제2가스 체널을 형성시키기 위하여, 본 발명에서는 튜브 양끝 단위 셀의 말단 전극에 연접된 전기연결재 피복 부위 (18, 19) 상에 도 3에서 보는 것 처럼 일정한 두께를 가지는 사각 링들 (원통형 21a, 평관형21b)을 장착하게 되며, 이때 장착된 링들에 의해 적층 시 전기적인 연결과 함께 셀 모듈 base (102) 사이 사이에 틈이 생겨 제2가스 체널 (2)이 생성되게 된다. 사각 링들은 도4에서 보는 것 처럼 지지체 내 양끝 단위셀의 말단 전극과 전기연결이 되기 위한 전기연결재 (31), 세라믹 부도체로 된 스페이서 (32), 밀봉재 (33), 같은 크기의 스페이서 (32)가 튜브에 끼워져 장착되어 최종적으로 셀 모듈 유닛 (103, 104)가 완성된다. In order to form the second gas channel on the cell module base 102 of FIG. 2, the present invention is shown in FIG. 3 on the electrical connector covering portions 18, 19 connected to the terminal electrodes of the unit cells at both ends of the tube. Square rings (cylindrical 21a, flat tubular 21b) having a constant thickness, as shown in FIG. 2, may have a gap between the cell module base 102 together with electrical connections when stacked by the mounted rings. 2) is generated. As shown in Fig. 4, the square rings are electrically connected to the terminal electrodes of the unit cells at both ends of the support, an electrical connector 31, a spacer 32 made of ceramic insulators, a seal 33, and a spacer 32 of the same size. Is fitted to the tube to finally complete the cell module units 103 and 104.

이때 전기연결재 링 (31)은 전도성의 세라믹이나 금속 재료를 사용할 수 있으나, 보다 바람직하게는 튜브 간 기계적 응력을 최소화하고 셀 모듈간 전기적 연결을 유지하기 위해 금속으로 된 스폰지 또는 Felt 같은 탄력성이 있는 재료의 사용이 추천된다. 따라서 이러한 금속 재질을 사용하는 경우에는 상기 셀 모듈 base 튜브 내부 제1가스 체널 (1)로 수소가 유입될 경우 도4a에서 보는 것 처럼 튜브 바깥 쪽에 사각링의 전기연결재 링 (31)을 안쪽에 밀봉재 링 (33)을 장착하여 최종 셀 모듈 유닛 (103)를 완성하고, 반대로 도 4b에서 보는 것 처럼 제1가스 체널 (1)으로 공기가 유입 될 경우는 튜브 안쪽에 전기연결재 링 (31)을 바깥쪽에 밀봉재 링(33)을 장착하여 최종 셀 모듈 유닛 (104)를 완성함으로써, 상기 셀 모듈 유닛을 쌓아서 양끝을 밀봉 시 금속 재료인 전기연결재 링의 옆에 장착된 밀봉재 쪽으로 공기가 흘러 최종적으로 공기의 차단을 막아 금속 전기연결재의 산화를 막게 된다. In this case, the electrical connector ring 31 may be made of a conductive ceramic or metal material, but more preferably, a flexible material such as a sponge or Felt made of metal to minimize mechanical stress between tubes and maintain electrical connection between cell modules. The use of is recommended. Therefore, in the case of using such a metal material, when hydrogen flows into the first gas channel 1 inside the cell module base tube, as shown in FIG. 4A, the electrical connector ring 31 of the square ring is sealed on the outside of the tube. Attach the ring 33 to complete the final cell module unit 103. On the contrary, when air flows into the first gas channel 1 as shown in FIG. 4B, the electrical connector ring 31 is placed inside the tube. By mounting the seal ring 33 on the side to complete the final cell module unit 104, the air flows toward the seal mounted on the side of the electrical connector ring, which is a metallic material, when the cell module units are stacked to seal both ends of the air. Blocking prevents oxidation of metal electrical connectors.

상기 셀 모듈 유닛들을 일정 갯 수를 쌓아서 도5의 길이 방향 상하 절개도에서 보는 것과 같은 단위 스택 (105)이 제작되어지며, 이때 셀 모듈 유닛 (103)들은 같은 극 끼리 사각 전기연결재 링 (31)을 통해서 전기적으로 병렬 연결이 되어 단위 셀 당 반응면적이 대면적화 되는 효과가 있으며, 또한 상기 단위 스택 (105)에서 제1가스는 각각의 튜브 내부 체널 (1)로 흐르게 되고, 제2가스는 적층 된 튜브들의 Shell사이 (2)로 흐름이 생성되게 되어 셀 모듈의 양끝 말단부를 밀봉하게 되면 제1가스와 제2가스는 서로 완벽하게 차단이 된다.By stacking a certain number of the cell module units, a unit stack 105 as shown in the longitudinal longitudinal cut-out of FIG. 5 is manufactured, wherein the cell module units 103 are formed of the same pole-shaped rectangular electrical connector ring 31. Through the electrical connection in parallel through the effect that the reaction area per unit cell has a large area, and in the unit stack 105, the first gas flows to each tube inner channel (1), the second gas is laminated When the flow is generated between the shells of the tubes (2), when the ends of the cell modules are sealed, the first gas and the second gas are completely blocked from each other.

도 5는 일 예로 도4a의 셀 모듈(103)들을 일정크기로 밀착하여 상하좌우로 그리고 바람직하게는 단면이 정사각형이 되게 쌓고 양쪽 끝 링이 장착된 부분에 전기집전을 위한 전기집전판 (41) 및 제1가스 도입 및 배출을 위한 가스 쳄버 (42, 44)를 연결하고 밀봉 과정을 거쳐서 단위 스택 (105)을 제작한 일례를 보여준다. 상기 단위 스택 내 쳄버 부분의 밀봉은 일 예로 스택을 수직으로 세운 후 쳄버부분 만을 훤원로에 넣고 고온에서 밀봉제를 녹힌 후 다시 식히는 방법으로 행하여 진다. 도 5에서 제1가스 유입관 (43) 및 배출관 (45)은 상기 단위 스택 (105)을 단독으로 스택으로 사용할 때는 필요하나 이것을 기본 유니트로 다시 쌓아서 보다 큰 대형 스택을 제작할 때는 사용되지 않을 수도 있다.5 is, for example, close to the cell module 103 of Figure 4a to a certain size, and stacked in a vertical cross-section and preferably a cross-section and both ends ring is equipped with an electrical current collector plate for electrical current collector 41 And an example in which the unit stacks 105 are manufactured by connecting the gas chambers 42 and 44 for introducing and discharging the first gas and then sealing them. The sealing of the chamber part in the unit stack is performed by, for example, standing the stack vertically, putting only the chamber part in the furnace, melting the sealant at a high temperature, and then cooling it again. In FIG. 5, the first gas inlet pipe 43 and the discharge pipe 45 are required when the unit stack 105 is used as a stack alone, but may not be used when the large stack is stacked again by stacking them in the basic unit. .

도 6과 도 7은 5 x 5개의 셀 모듈 (103) 들로 이루어진 단위 스택 (105) 4 x 4개를 일정 거리를 두고 수평적으로 배열하여 최종 스택 (106)을 제작했을 때의 각각 길이 방향 상하 절개도와 단면 방향 절개도를 나타낸다. 스택 내 온도를 유지하기 위해 안쪽에 핫 박스 (51)가 존재하고 바깥쪽은 단위 스택 (105)을 장착하기 위한 Rack (52)이 설치되어 있다. 도6에서 상기 Rack (52)의 좌면 (52a) 및 우면(52b)은 전기적으로 절연이 되고 단위 스택(105)을 설치한 경우에 한쪽 면의 Rack (52a)으로부터 핫 박스 (51)를 지나 반대 쪽 면의 Rack(52b)에 걸쳐 질 수 있도록 일정 크기의 상자형 칸막이가 좌우 Rack 면에 규칙적으로 배열되어 있는 것이 바람직하다. 6 and 7 are arranged in a horizontal direction by arranging 4 x 4 unit stacks 105 consisting of 5 x 5 cell modules 103 horizontally at a predetermined distance, respectively, in the longitudinal direction when the final stack 106 is manufactured. The upper and lower incisions and the cross-sectional direction incisions are shown. In order to maintain the temperature in the stack, there is a hot box 51 on the inside and a rack 52 for mounting the unit stack 105 on the outside. In FIG. 6, the left side 52a and the right side 52b of the rack 52 are electrically insulated and opposite from the rack 52a on one side past the hot box 51 when the unit stack 105 is installed. It is preferable that a box-shaped partition of a predetermined size is regularly arranged on the left and right rack sides so as to span the rack 52b on one side.

도 6과 도 7에서 보면 배열된 단위 스택 사이 간격이 개개의 튜브 사이 간격보다 너무 떨어져서 Tube 사이 가스 흐름량 (2) 보다 스택 사이 (4)에 더 많은 가스 흐름량이 생기는 것을 방지하기 위해, 필요 시 도7에서 보는 것처럼 단면의 앞뒤 방향으로 일정 두께의 가스유량 감소용 세라믹 Plate (53)를 집어넣어 가스량을 줄여서 전체적으로 가스 흐름을 골고루 분산시킨다. 그리고 도 6에서 보는 것 처럼 단위 스택의 양끝 쳄버 (42, 44)와 핫 박스 (51) 사이 열 전달을 막고 또한 쳄버 (42, 44)와 Rack (52) 사이 가스 유출을 막기 위한 Stopper (55)를 최종적으로 끼워 고정한다. 또한 금속으로 된 쳄버 (42, 44)의 온도가 높아져 밀봉재가 녹는 경우를 방지하고 핫 박스에 유입되는 제2 가스의 예열을 위해 필요 시 이중 면으로 된 Rack의 공간에 제2가스를 유입관(61) 통해 유입시켜 쳄버 (42, 44) 들은 냉각하고 뜨거워 진 가스는 배출관 (62)을 통해 배출되어 최종적으로 도 7의 핫 박스 유입관 (63)에 연결되어 핫 박스로 주입된다. In FIGS. 6 and 7, the gaps between the arranged unit stacks are too far apart from the gaps between the individual tubes so as to prevent more gas flows between the stacks (4) than the gas flows between the tubes (2). As shown in Fig. 7, the ceramic plate 53 for reducing the gas flow rate is inserted in the front and rear direction of the cross section to reduce the gas flow and evenly distribute the gas flow. And a stopper (55) for preventing heat transfer between the chambers 42, 44 and the hot box 51 at both ends of the unit stack and also for preventing gas leakage between the chambers 42, 44 and the rack 52, as shown in FIG. Finally, fix it. In addition, as the temperature of the metal chambers 42 and 44 increases, the second gas is introduced into the space of the double-sided rack if necessary to prevent the sealing material from melting and to preheat the second gas flowing into the hot box. 61) The chambers 42 and 44 are introduced through the cooling and the heated gas is discharged through the discharge pipe 62 and finally connected to the hot box inlet pipe 63 of FIG. 7 and injected into the hot box.

도 6에서는 제1가스 유입관 (43)과 배출관 (45)은 개개의 단위 스택(105)에 각각 장착되어 있으나, 보다 바람직하게는 도 8에서 보는 것처럼 전체 가스 유입관 및 배출관 들을 통합하여 하나의 유입관 (71) 및 배출관 (72)으로 하고 해당 쳄버도 하나로 통합하는 것이 편리하며 이러한 경우 최종 집전체는 쳄버와 분리해서 쳄버와 절연된 상태로 쳄버 밖으로 인출되어야 하며 참고로 도 8에서는 단위 스택 (105)들이 병렬로만 연결되었을 경우의 전극 (73) 및 그 반대극의 (74)의 위치를 보여주며, 만약 일부 셀 모듈 유닛이 직렬 연결된다면 한 쪽 쳄버 밖으로만 두 전극들이 인출되어 나오게 된다. In FIG. 6, the first gas inlet pipe 43 and the discharge pipe 45 are respectively mounted in the individual unit stacks 105, but more preferably, the entire gas inlet pipe and the discharge pipe are integrated as shown in FIG. 8. It is convenient to have an inlet tube 71 and an outlet tube 72 and to integrate the corresponding chamber into one, in which case the final current collector must be pulled out of the chamber insulated from the chamber separately from the chamber. 105 shows the position of the electrode 73 and the opposite electrode 74 when connected only in parallel, and if some cell module units are connected in series, only two electrodes are drawn out of one chamber.

도9a 및 도9b는 도 6 및 8의 양쪽 쳄버 끝에서 본 조감도로 4개의 단위 스택 (105)들이 전기적으로 병렬 연결되고 이것들이 다시 직렬 연결되어 전력을 생산하는 경우를 보여준다.9A and 9B show a case in which four unit stacks 105 are electrically connected in parallel and again in series to produce power in a bird's eye view from both chamber ends of FIGS. 6 and 8.

도10은 스택의 보다 정교한 열관리를 위하여 제1가스 체널에 수소가 유입되어야 할 때 셀 모듈 유닛 (106)내에 내부개질기를 혼용하기 위한 개질기 (107) 제작 방법의 일 예를 나타낸 것으로, 도4a의 셀 모듈 base (103) 상에 형성된 단위 셀들을 없애고 튜브 내부 체널의 한쪽 끝 plug(15)로 막고 외측면을 밀봉재(16)로 가스가 투과하지 못하게 피복 소결하여 밀봉한 후 내부 체널에 개질용 촉매 (17)를 도포하면 된다. 도 11은 상기 개질기 (107)와 도4a의 셀 모듈 base (103)을 각각 차례로 이웃되게 혼용하여 제작한 혼합형 단위 스택(108)을 나타내며 유입용 쳄버가 이중관으로 제작되는 것 이외에는 기존의 단위 스택 (105)과 같다. 도 11에서 보면 유입관 (43)을 통해서 유입되는 탄화수소와 스팀은 이중 구조로 된 유입 쳄버 (42)의 첫번 째 쳄버 공간(81)으로 유입되어 유도관(82)을 통해 개질기 (107) 내부 체널의 안 쪽으로 유입되며 내부 체널 (83)에서 개질되면서 가스가 역류하게 되어 두 번째 쳄버 공간 (84)으로 유입되어 바로 이웃한 셀 모듈 base (103)의 내부 체널로 유입되어 반응에 참여하고 생성된 스팀과 미반응 가스는 최종 배출 쳄버 공간 (85)을 거쳐서 배출되게 된다. 따라서 상기 혼합형 단위스택 (108)을 사용하여 제조되는 최종 스택시스템은 (106)은 연료가스로 수소 대신 탄화수소를 사용하는 것 외는 종전 것과 달라지는 게 없다.FIG. 10 shows an example of a method of fabricating a reformer 107 for mixing internal reformers in the cell module unit 106 when hydrogen is to be introduced into the first gas channel for more sophisticated thermal management of the stack. The unit cells formed on the cell module base 103 are removed, and one end plug of the inner channel of the tube is blocked by plug 15, and the outer surface is sealed by coating and sintering the gas through the sealing material 16 to prevent penetration of the catalyst. What is necessary is just to apply (17). FIG. 11 shows a mixed unit stack 108 fabricated by mixing the reformer 107 and the cell module base 103 of FIG. 4A in order to be adjacent to each other. The existing unit stack (except that the inflow chamber is made of a double pipe) 105). In FIG. 11, hydrocarbons and steam introduced through the inlet pipe 43 are introduced into the first chamber space 81 of the inlet chamber 42 having a double structure, and the inner channel of the reformer 107 through the induction pipe 82. The gas flows into the inner channel 83 and is reformed in the inner channel 83 so that the gas flows back into the second chamber space 84 and enters the inner channel of the immediately adjacent cell module base 103 to participate in the reaction and generate steam. The unreacted gas will be discharged through the final discharge chamber space 85. Therefore, the final stack system manufactured using the mixed unit stack 108 is not different from the conventional method except that 106 uses hydrocarbon instead of hydrogen as fuel gas.

도12는 스택 (106)의 단면 절개도로, 제1가스가 공기인 경우 스택 온도의 조절을 돕기 위한 방편으로 스택 (106) 내에 장착된 단위 스택 (105) 사이에 평관형 개질기(109)를 장착한 내부 개질형 스택의 제작 방법을 보여주며 셀 모듈 유닛 (106)의 넓이와 같은 넓이를 가지는 평관형 스택을 이용하여 내부 체널에 개질 촉매를 도포한 후 셀 모듈 유닛 사이에 스택의 길이 방향으로 장착하고 각각의 개질기는 탄화수소 연료의 유입 및 배출을 따로 하여야 하고 개질된 배출 가스는 모아서 핫 박스내 유입관 (63)으로 연결 유입되어 진다.
12 is a cross-sectional cutaway view of the stack 106, with the flat tubular reformer 109 mounted between the unit stacks 105 mounted in the stack 106 as a way to help control the stack temperature when the first gas is air. A method of fabricating an internal reforming stack is shown and a reforming catalyst is applied to the inner channel using a flat tubular stack having the same width as that of the cell module unit 106 and then mounted in the longitudinal direction of the stack between the cell module units. Each reformer has to separate inflow and outflow of hydrocarbon fuel and the reformed exhaust gas is collected and connected to the inlet pipe 63 in the hot box.

1. 고체산화물 연료전지용 튜브형 지지체 내부 제1가스 흐름용 채널
2. 셀 모듈용 튜브를 적층할 때 튜브의 Shell side에 생성되는 제2가스 흐름용 체널
3. 단위 스택 내 장착된 직접내부 개질기 내 개질된 가스 흐름 역류용 내부 체널
4. 단위 스택 사이 제2가스 흐름용 체널
11. 고체산화물 연료전지용 지지체 외측면에 반복되어 피복되는　제1가스 전극층
12. 고체산화물 연료전지용 지지체 외측면에 반복되어 피복되는　전해질층
13. 고체산화물 연료전지용 지지체 외측면에 반복되어 피복되는　제2가스 전극층
14. 고체산화물 연료전지용 지지체 외측면 단위 셀 사이 반복되어 피복되는　전기연결재층
15. 직접 내부 개질기용 튜브의 내부 체널 한쪽 면을 막기 위한 Plug
16. 직접 내부 개질기용 튜브의 외측 면을 가스 밀봉하기 위한 밀봉재 피복 면
17. 직접 내부 개질기용 튜브의 내부 체널에 피복된 개질 촉매층
18. 고체산화물 연료전지용 지지체 상 말단 전극과 연접되어 피복되어진 전기연결재층
19. 고체산화물 연료전지용 지지체 상 말단 반대극 전극과 연접되어 피복되어진 전기연결재층
21a. 원통형 지지체 튜브에 끼워서 장착할 수 있는 외형이 사각형태의 링
21b. 평관형 지지체 튜브에 끼워서 장착할 수 있는 외형이 사각형태의 링
31. 전기연결재 재료로 제작된 지지체 튜브에 끼워서 장착할 수 있는 외형이 사각형태의 링
32. 세라믹 재료로 제작된 지지체 튜브에 끼워서 장착할 수 있는 외형이 사각형태의 링
33.　밀봉재 재료로 제작된 지지체 튜브에 끼워서 장착할 수 있는 외형이 사각형태의 링
41.　단위 스택 내 쌓은 셀 모듈들의 양끝 전기연결재 링으로부터 전기를 뽑아내기 위한 집전판
42.　단위 스택 내 제1가스 도입부 쳄버
43.　단위 스택 내 제1가스 도입용 배관
44.　단위 스택 내 제1가스 배출부 쳄버
45.　 단위 스택 내 제1가스 배출용 배관
49. 단위 스택 양끝 쳄버부를 핫 박스로부터 열차단하기 위한 단열 Pad
71.　단위 스택으로 구성된 통합 스택 내 제1가스 유입용 통합 쳄버 및 배관
72.　단위 스택으로 구성된 통합 스택 내 제1가스 유입용 통합 쳄버 및 배관
73.　단위 스택으로부터 집전된 전극
74.　단위 스택으로부터 집전된 반대 전극
81.　내부 개질기가 포함된 단위 스택 내 탄화수소 유입 쳄버
82.　탄화수소 유입 쳄버로 부터 내부개질기 튜브 안쪽으로 탄화수소를 유입하기 위한 유도관
83. 내부개질기 내부 체널 내 개질된 가스 역류용 체널
84. 개질된 가스 셀 모듈 내 유입용 쳄버
85. 개질된 가스 반응 후 배출용 쳄버
101. 튜브형 지지체
101a. 원통형 지지체
101b. 평관형 지지체
102.　튜브형 지지체에 단위 셀들을 직렬 배열한 셀 모듈 base
103. 내부 체널 유입 제1가스가 수소인 경우의 셀 모듈 유닛
104. 내부 체널 유입 제1가스가 공기인 경우의 셀 모듈 유닛
105.　셀 모듈을 상하로 쌓은 단위 스택 제작도
106.　단위 스택을 배열하여 집적한 스택시스템
107. 단위 스택 내 셀 모듈과 혼합 사용되는 내부 개질기
108. 셀 모듈과 내부개질기가 혼용된 단위 스택
109. 최종 스택 내 단위 스택의 공간 사이에 장착되는 내부개질기
110. 단위 스택의 공간 사이에 내부개질기가 장착된 최종 스택 1. Channel for first gas flow inside tubular support for solid oxide fuel cell
2. Second gas flow channel generated on the shell side of the tube when stacking the tube for the cell module
3. Internal channel for reformed gas flow backflow in direct internal reformers mounted in unit stacks
4. Channel for the second gas flow between unit stacks
11. First gas electrode layer repeatedly coated on the outer surface of the support for a solid oxide fuel cell
12. Electrolyte layer repeatedly coated on the outer surface of the support for a solid oxide fuel cell
13. Second gas electrode layer repeatedly coated on the outer surface of the support for a solid oxide fuel cell
14. An electrical connector layer repeatedly coated between unit cells on the outer surface of a support for a solid oxide fuel cell
15. Plug to directly block one side of the inner channel of the inner reformer tube
16. Sealing sheathing surface for gas sealing the outer side of the tube for direct internal reformer
17. A reforming catalyst layer coated directly on the inner channel of the inner reformer tube
18. Electrically connected layer coated in contact with end electrode on solid oxide fuel cell support
19. Electrically connected layer coated in contact with the terminal opposite electrode on the support for a solid oxide fuel cell
21a. Rectangular ring that fits into a cylindrical support tube
21b. Rectangular ring that can be mounted on a flat tubular support tube
31. Square shaped ring that can be inserted into a support tube made of electrical connector material.
32. Rectangular ring shaped to be mounted on a support tube made of ceramic material
33. Square shaped ring that can be inserted into a support tube made of sealing material
41. Current collector plate for drawing electricity from electrical connector rings at both ends of cell modules stacked in a unit stack
42. First gas inlet chamber in unit stack
43. Piping for introducing first gas in unit stack
44. First gas exhaust chamber in unit stack
45. Pipe for discharging first gas in unit stack
49. Insulation pad to block the chamber at both ends of the unit stack from the hot box
71. Integrated chamber and piping for the first gas inlet in an integrated stack consisting of unit stacks
72. Integrated chamber and piping for the first gas inlet in an integrated stack consisting of unit stacks
73. Electrodes collected from unit stack
74. Counter electrode collected from unit stack
81. Hydrocarbon inlet chamber in unit stack with internal reformer
82. Induction pipe for introducing hydrocarbon from the hydrocarbon inlet chamber into the internal reformer tube
83. Reformed gas backflow channel in internal reformer internal channel
84. Inlet chamber in modified gas cell module
85. Emission chamber after reformed gas reaction
101. Tubular Support
101a. Cylindrical support
101b. Flat tubular support
102. Cell module base in which unit cells are arranged in a tubular support
103. Cell module unit when internal channel inflow first gas is hydrogen
104. Cell module unit when internal channel inflow first gas is air
105. Unit stack fabrication with cell modules stacked up and down
106. Stack system in which unit stacks are arranged
107. Internal reformer used with cell modules in unit stacks
108. Unit stack with cell module and internal reformer
109. Internal reformer mounted between units of unit stack in final stack
110. Final stack with internal reformers between units of unit stack

Claims (30)

내부에 제1가스채널이 형성된 튜브형 지지체 외면에 하나 이상의 연료전지용 단위셀과 상기 단위셀의 제1전극 및 제2전극과 연결된 전기연결재가 형성된 복수의 셀모듈 유닛들이 외면에 제2가스유로가 형성되도록 이격되어 적층되고, 상기 셀모듈 유닛은 전기적으로 병렬 연결된 고체산화물 연료전지용 단위 스텍.A second gas flow path is formed on the outer surface of the plurality of cell module units in which at least one fuel cell unit cell and an electrical connection member connected to the first electrode and the second electrode of the unit cell are formed on the outer surface of the tubular support having the first gas channel formed therein. Stacked so as to be spaced apart, the cell module unit unit stack for the solid oxide fuel cell electrically connected in parallel. 제1항에 있어서, 상기 튜브형 지지체의 외면 중앙부에 연료전지용 단위 셀이 형성되고, 상기 튜브형 지지체의 외면 양단부에 전기연결재가 형성되는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍.The unit stack for a solid oxide fuel cell of claim 1, wherein a unit cell for a fuel cell is formed at a central portion of an outer surface of the tubular support, and electrical connectors are formed at both ends of the outer surface of the tubular support. 제1항에 있어서, 상기 튜브형 지지체는 외면 양단에 링형태의 전기 연결재와 스페이서가 끼워져 적층되는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍. The unit stack for a solid oxide fuel cell of claim 1, wherein the tubular support is formed by stacking ring-shaped electrical connecting members and spacers at both ends of an outer surface thereof. 제1항에 있어서, 상기 튜브형 지지체의 외면 양단에 밀봉부재가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍.The unit stack for a solid oxide fuel cell of claim 1, wherein a sealing member is further formed at both ends of the outer surface of the tubular support. 제1항에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지용 스텍의 제1가스가 출입하는 양측에 집전판과 제1가스 흐름용 챔버가 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍.The unit stack for a solid oxide fuel cell as claimed in claim 1, wherein a current collector plate and a first gas flow chamber are formed at both sides of the solid gas fuel cell stack. 튜브형 지지체의 내부에는 제1가스채널이 형성되고, 외부면의 중앙부에 전기적으로 직렬로 연결된 복수의 연료전지용 단위셀이 형성되고, 상기 튜브형 지지체의 양단에는 상기 단위셀의 제1전극 및 제2전극에 각각 연결된 전기연결재가 일정 두께로 형성되고, 지지체 외면에 제2 가스채널을 형성된 복수의 셀모듈 유닛이 상기 전기연결재가 병렬 연결되도록 적층된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍.A first gas channel is formed inside the tubular support, and a plurality of fuel cell unit cells electrically connected in series at a central portion of the tubular support is formed, and the first electrode and the second electrode of the unit cell are formed at both ends of the tubular support. And a plurality of cell module units each having an electrical connection material connected to each other to a predetermined thickness and having a second gas channel formed on an outer surface of the support, stacked in such a manner that the electrical connection materials are connected in parallel. 제6항에 있어서, 상기 전기연결재는 튜브형 지지체의 외면에 끼워지는 링형태의 부재인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍. 7. The unit stack of claim 6, wherein the electrical connection member is a ring-shaped member fitted to an outer surface of the tubular support. 제6항에 있어서, 상기 전기연결재의 일측에 링 형태의 스페이서가 형성된 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍.The unit stack for a solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein a ring-shaped spacer is formed on one side of the electrical connector. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 튜브형 지지체의 양측에 링 형태의 밀봉재가 더 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍.The unit stack for a solid oxide fuel cell according to claim 7 or 8, wherein a ring-shaped sealant is further formed on both sides of the tubular support. 제6항에 있어서, 상기 복수의 연료전지용 단위셀은 제1가스용 전극층, 전해질층, 및 제2가스용 전극층으로 이루어진 단위셀이 튜브형 지지체의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 반복 형성되고, 인접한 단위셀간의 제1전극층과 제2전극층이 전기연결재로 연결된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍.The unit cell of claim 6, wherein the plurality of fuel cell unit cells are formed by repeating unit cells formed of a first gas electrode layer, an electrolyte layer, and a second gas electrode layer at regular intervals along a longitudinal direction of the tubular support. A unit stack for a solid oxide fuel cell, wherein the first electrode layer and the second electrode layer between cells are connected by an electrical connection material. 내부에 제1가스채널이 형성된 튜브형 지지체 외면에 하나 이상의 연료전지용 단위셀과 상기 단위셀의 제1전극 및 제2전극과 연결된 전기연결재가 형성된 복수의 셀모듈 유닛들이 외면에 제2가스유로가 형성되도록 이격되어 적층되고, 상기 셀모듈 유닛은 전기적으로 병렬 연결된 복수의 고체산화물 연료전지용 단위 스텍을 적층하고, 상기 단위 스텍들을 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결한 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지용 스텍 모듈.A second gas flow path is formed on the outer surface of the plurality of cell module units in which at least one fuel cell unit cell and an electrical connection member connected to the first electrode and the second electrode of the unit cell are formed on the outer surface of the tubular support having the first gas channel formed therein. Stacked so as to be spaced apart, the cell module unit stacks a plurality of unit stacks for the solid oxide fuel cell electrically connected in parallel, and the unit stacks electrically connected in series and / or in parallel characterized in that module. 제11항에 있어서, 단위 스텍들은 튜브형 지지체가 평행하게 연장되도록 상하 및/또는 좌우로 적층되고, 적층된 튜브형 지지체들의 중앙부를 커버하는 핫박스가 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 모듈.The stack module for a solid oxide fuel cell as claimed in claim 11, wherein the unit stacks are stacked vertically and / or horizontally so that the tubular supports extend in parallel, and a hot box is formed to cover the central portions of the stacked tubular supports. 제12항에 있어서, 상기 스택 모듈 내 배열된 단위 스택 사이는 일정한 두께의 유량 감소판이 삽입된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 모듈. The stack module of claim 12, wherein a flow rate reducing plate having a predetermined thickness is inserted between the unit stacks arranged in the stack module. 제 12항에 있어서, 상기 스택 모듈은 상기 단위 스텍과 튜브형 지지체 내부에 개질용 촉매가 형성된 탄화수소 개질기와 함께 적층되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 모듈.The stack module of claim 12, wherein the stack module is stacked together with a hydrocarbon reformer having a reforming catalyst formed in the unit stack and the tubular support. 제14항에 있어서, 상기 탄화수소 개질기는 튜브형 지지체의 내부 체널의 일측이 막혀있고 내부 체널에는 개질용 촉매가 도포되고, 상기 내부채널에는 제1가스 공급용 유도관이 삽입되어, 개방된 내부채널로 개질되어 유출된 후, 인접한 단위스텍의 입구로 흘러가는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스텍 모듈.15. The method according to claim 14, wherein the hydrocarbon reformer is blocked on one side of the inner channel of the tubular support, the reforming catalyst is applied to the inner channel, the first gas supply induction pipe is inserted into the inner channel, the open inner channel The solid oxide fuel cell stack module, characterized in that flows to the inlet of the adjacent unit stack after reformed and outflow. 제12항에 있어서, 상기 핫박스의 양측에는 적층된 튜브형 지지체들의 양측단부를 커버하는 냉각박스가 형성되고, 상기 제2가스는 상기 냉각박스에서 예열되어, 핫박스로 유입되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스텍 모듈.The method of claim 12, wherein both sides of the hot box is formed with a cooling box covering both ends of the laminated tubular supports, the second gas is preheated in the cooling box, characterized in that the solid flow into the hot box Oxide Fuel Cell Stack Modules. 내부에 제1가스채널이 형성된 튜브형 지지체 외면에 복수의 연료전지용 단위셀이 직렬로 연결되어 형성되고, 튜브형 지지체의 양측에는 상기 단위셀의 제1전극 및 제2전극에 각각 연결되는 링 형상의 전기연결재와 스페이서가 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀모듈 유닛.A plurality of fuel cell unit cells are formed in series on an outer surface of a tubular support having a first gas channel formed therein, and ring-shaped electricity connected to first and second electrodes of the unit cells on both sides of the tubular support, respectively. Cell module unit for a solid oxide fuel cell, characterized in that the connecting member and the spacer is formed. 내부에 제1가스채널이 형성된 튜브형 지지체 외면에 하나 이상의 연료전지용 단위셀과 상기 단위셀의 제1전극 및 제2전극과 연결된 전기연결재가 형성된 복수의 셀모듈 유닛을 제조하는 단계;
상기 셀모듈들을 상기 전기연결재가 연접하면서 전기적으로 병렬로 연결되도록 적층하여 튜브형 지지체의 외면에 제2가스유로가 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍 제조 방법.Manufacturing a plurality of cell module units having at least one fuel cell unit cell and an electrical connection member connected to the first electrode and the second electrode of the unit cell on an outer surface of the tubular support having a first gas channel formed therein;
And stacking the cell modules so that the electrical connectors are connected and electrically connected in parallel to each other so that a second gas flow path is formed on an outer surface of the tubular support. 제18항에 있어서, 상기 전기연결재는 튜브형 지지체의 양측에 삽입되는 링형상의 전기연결재인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍 제조 방법.19. The method of claim 18, wherein the electrical connector is a ring-shaped electrical connector inserted into both sides of the tubular support. 제19항에 있어서, 상기 튜브형 지지체의 양측에는 링형상의 스페이서와 밀봉재가 더 삽입되고, 적층된 상태에서 고온 소결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 스텍 제조 방법.20. The method of claim 19, wherein a ring-shaped spacer and a sealing material are further inserted into both sides of the tubular support and sintered at a high temperature in a stacked state. 내부에 제1가스 흐름용 채널이 길이 방향으로 1개 이상 존재하는 다공성의 튜브형 지지체의 길이 양 끝 일부분을 제외한 외부면 중앙에 복수 개의 단위 셀을 길이 방향으로 반복 형성하고 단위 셀 간에는 반대극 끼리 전기연결재로 단위 셀들이 전기적으로 직렬 연결된 셀 모듈 베이스를 제조하는 단계;
상기 셀 모듈 베이스의 양끝 말단부에 외형이 사각 링형태인 전기연결재, 세라믹 스페이서, 가스 밀봉재, 세라믹 스페이서를 튜브에 끼워 장착하되 튜브 양끝 단위셀들의 말단 전극과 전기연결재 링은 전기적으로 연접되도록 하는 방법에 의해 셀 모듈 유닛을 제조하는 단계;
상기 셀 모듈 유닛들을 상하 또는 상하좌우 방향으로 일정 개수를 쌓은 후 양끝에 집전체와 가스 쳄버를 장착하고 고온에서 밀봉재를 녹여서 양끝 부분이 밀봉되고　또한 셀 모듈 유닛들이 전기적으로 병렬 연결된 단위 스택을 제작하는 단계;
상기 단위 스택들을 다시 일정한 거리를 두고 상하 또는 상하 좌우로 쌓은 후 양끝 쳄버 부분을 제외한 반응부만 핫 박스속에 넣고 전기집전체들 사이는 직렬, 병렬, 또는 직렬 및 병렬이 혼합되게 연결시켜 최종 스택을 제조하는 단계;
를 포함하는 고체산화물 연료전지 스텍 모듈 제조 방법. A plurality of unit cells are repeatedly formed in the center of the outer surface of the porous tubular support having at least one first gas flow channel therein in the longitudinal direction, except for both ends of the length thereof, and the opposite poles are formed between the unit cells. Manufacturing a cell module base in which unit cells are electrically connected in series with a connecting material;
In the method of mounting the electrical connector, the ceramic spacer, the gas sealing material, the ceramic spacer in the shape of a square ring shape at both ends of the cell module base to the tube, but the terminal electrode and the electrical connector ring of the unit cells at both ends of the cell module are electrically connected. Manufacturing a cell module unit by;
After stacking a predetermined number of cell module units in the vertical, vertical, horizontal, left and right directions, a current collector and a gas chamber are mounted at both ends, and the sealing material is melted at high temperature so that both ends are sealed and the cell module units are electrically connected in parallel. step;
The unit stacks are piled up again, down, up, down, left, and right at a predetermined distance, and only the reaction part except the chamber part at both ends is placed in a hot box, and the final stack is connected by connecting the electrical current collectors in series, parallel, or in series and parallel. Manufacturing;
Solid oxide fuel cell stack module manufacturing method comprising a. 제21항에 있어서, 튜브형 지지체는 다공성 부도체이며 단면 모양이 원통형, 사각형, 또는 다각형이며, 내부에 길이 방향으로 제1가스 흐름용 체널이 하나 이상 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 모듈 제조 방법.22. The method of claim 21, wherein the tubular support is a porous insulator and has a cylindrical, rectangular, or polygonal cross-sectional shape, and at least one first gas flow channel is formed therein in the longitudinal direction. . 제21항에 있어서, 제2가스 흐름용 채널은 적층된 튜브형 지지체 사이에 생성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 모듈 제조 방법.22. The method of claim 21, wherein the second gas flow channel is created between the stacked tubular supports. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 튜브형 지지체의 제2가스채널 부분에 단위 셀이 1개 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 모듈 제조 방법.The stack module manufacturing method according to claim 1, wherein at least one unit cell is formed in a portion of the second gas channel of the tubular support. 제21항에 있어서, 튜브 양끝 제2가스 체널의 바깥 부분에 링 형상의 전기연결재들을 끼워 장착하고, 상기 링형상의 전기연결재들은 양끝에 위치한 단위 셀들의 말단 전극들과 서로 연접되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 모듈 제조 방법.22. The method of claim 21, wherein a ring-shaped electrical connector is inserted into an outer portion of the second gas channel at both ends of the tube, and the ring-shaped electrical connector is connected to the terminal electrodes of the unit cells located at both ends. Stack module manufacturing method for solid oxide fuel cell. 제21항 또는 제 26항에 있어서, 전기연결재에 동일한 형상의 스페이서, 밀봉재, 스페이서로 구성된 커플링을 튜브형 지지체에 끼워서 배치하여 최종적으로 셀 모듈용 튜브를 완성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택 모듈 제조 방법.27. The solid oxide fuel cell stack of claim 21 or 26, wherein a coupling consisting of spacers, seals, and spacers having the same shape as the electrical connector is inserted into the tubular support to finally complete the cell module tube. Module manufacturing method. 제21항에 있어서, 제1가스가 연료인 경우에는 튜브 양끝의 바깥 쪽에 전기연결재 링, 안쪽에 커플링이 위치하고, 제1가스가 공기인 경우에는 바깥 쪽에 커플링, 안쪽에 전기연결재 링이 장착되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택 모듈 제조 방법.22. The method of claim 21, wherein if the first gas is a fuel, the electrical connector ring, the coupling is located on the outside of both ends of the tube, if the first gas is air, the coupling is on the outside, the electrical connector ring is mounted on the inside Solid oxide fuel cell stack module manufacturing method characterized in that the. 제21항에 있어서, 전기연결재 링은 전도성 세라믹, 금속, 금속 스펀지, 또는 펠트로 이루어지며, 상기 스페이서는 부도체 세라믹으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택 모듈 제조 방법.22. The method of claim 21, wherein the electrical connector ring is made of a conductive ceramic, a metal, a metal sponge, or a felt, and the spacer is made of a non-conductive ceramic. 제21항에 있어서, 다수의 셀 모듈 유닛을 적층하여 단위 스택을 형성하고, 양단에 전기집전체 및 가스쳄버를 장착하여 밀봉 시 스택을 수직으로 세우고 양끝 링 부분만 환원로에 넣고 고온에서 밀봉재를 녹여서 밀봉한 후 상온으로 서서히 식혀서 완성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 모듈 제작 방법. 22. The method according to claim 21, wherein a plurality of cell module units are stacked to form a unit stack, and an electrical current collector and a gas chamber are mounted at both ends so that the stack is placed vertically during sealing, and only the ring portions at both ends are put in a reduction furnace to seal the material at a high temperature. Method of producing a stack module for a solid oxide fuel cell, characterized in that the complete melting by melting and sealing and then slowly cooled to room temperature. 제21항에 있어서, 최종 스택은 튜브 상에 단위 셀들이 형성된 중앙부는 핫 박스 내에 넣어지고 양끝 쳄버 부분은 핫 박스 밖에 노출되며, 쳄버 내 전기집전체들 사이 전기적 연결은 병렬, 직렬, 또는 직렬-병렬이 혼합되게 연결되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
23. The final stack of claim 21, wherein the final stack is placed in a hot box with unit cells formed on the tube and the chamber portions at both ends are exposed outside the hot box, and electrical connections between the electrical current collectors in the chamber are parallel, series, or series-. Stack production method for a solid oxide fuel cell, characterized in that the parallel is connected to be mixed.
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