KR20120008274A - 고체산화물 연료전지 및 연료전지 스택 - Google Patents

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KR20120008274A
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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지 및 연료전지 스택에 관한 것이다.
본 발명은 단위셀의 내외주면에 연결되는 집전체를 캡 구조로 구현함에 따라 단위셀과의 결합과정이 손쉬워 질뿐만 아니라, 단위셀과의 결합 시 외부집전부가 단위셀의 외주면 을 감싸는 형태로 구비되에 따라 기존에 비해 외부집전부와 단위셀 간 접촉면적이 늘어나 전체적인 집전효율이 향상될 수 있는 연료전지 구조를 제공한다.
또한 매니폴더 내에 단위셀의 결합과 동시에 각 단위셀의 집전체 간 연결이 이루어질 수 있도록 함에 따라, 기존에 비해 매니폴더내에서의 각 셀간 연결구조를 간소화 할 수 있는 연료전지의 스택을 제공한다.

Description

고체산화물 연료전지 및 연료전지 스택{Solid oxide fuel cell and stack thereof}
본 발명은 고체산화물 연료전지 및 연료전지 스택에 관한 것으로 더욱 상세하게는 고체산화물 연료전지의 집전구조를 개선한 연료전지 및 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 공기극(cathode)에 산소가 공급되고 연료극(anode)에 연료가스가 공급되어 물의 전기분해 역반응 형태의 전기화학 반응이 진행되면서 전기, 열 및 물이 발생되어 공해를 유발하지 않으면서도 고효율로 전기를 생성한다.
특히 고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell)는 연료극의 내주면과 외주면상에 집전체를 형성한다. 이때 상기 집전체의 외주면이 연료극 내주면 전체에 걸쳐 균일하게 접촉되어야지만 집전효율 저하현상을 방지할 수 있다. 또한, 외부에 형성되는 집전체는 연료극 외주면상에 감긴 형태로 형성되는데, 이 경우 연료극과의 선접촉에 의하여 접촉저항이 증가되는 경향이 있다. 더불어 이와 같이 형성된 각 단위셀들이 연결된 상태에서 매니폴드(manifold)에 설치되어 연료전지 스택을 이루게 될 때,　연결상태에서 각 단위셀들이 동시에 설치되어야 하기 때문에 설치과정이 용이하지 못할 뿐만 아니라, 설치과정에서 외부집전부가 끊어지게 되는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지 단위셀의 집전체 구조를 개선하여 집전체 설치가 용이하도록 하고 집전효율을 높일 수 있는 고체산화물 연료전지를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 집전체 구조의 개선으로 매니폴드에 연료전지 단위셀을 간소하고 견고하게 설치할 수 있는 고체산화물 연료전지 스택을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 제1전극과 전해질층 및 제2전극이 순차적으로 적층된 다중관 구조의 단위셀과, 상기 단위셀의 내, 외주면에 연결되는 제1, 2집전체로 이루어진 것을 단위셀의 기본구성으로 하고,
상기 제1, 2집전체 중 어느하나 이상은 단위셀의 단부면과 내주면상에 형성되는 일체형 구조로 이루어진 것을 대표적인 특징으로 한다.
그리고 상기 해당 집전체는 단위셀의 단부 입구 상에 위치되는 덮개부와 상기 덮개부 중 단위셀과 마주보는 면으로부터 일체로 돌출되어 단위셀에 삽입되는 내부집전부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 내부집전부는 중공관 형태로 이루어져 외주면이 단위셀의 내주면에 접촉된 상태로 설치되고 상기 덮개부에는 내부집전부의 내부와 연통되는 연료공급공이 형성된 구조도 특징으로 한다.
그리고 상기 단위셀 단부 외주면 상에는 외주면을 감싸는 형태로 설치되는 외부집전부가 더 구비된 구조도 특징으로 한다.
그리고 상기와 같이 중공관 형태의 제1전극과 전해질층 및 제2전극이 순차적으로 적층된 다중관 구조의 단위셀과, 상기 단위셀의 내 외주면에 연결되는 제1, 2집전체로 이루어진 것을 기본구성으로 하고,
상기 제1, 2집전체 중 어느 하나 이상은 단위셀의 단부면과 외주면상에 형성되는 일체형 구조로 이루어진 것을 또 다른 대표적 특징으로 한다.
그리고 상기 해당 집전체는 단위셀의 단부면 입구상에 위치되는 덥개부와 상기 덮개부의 테두리면에 일체로 연결되어 단위셀의 외주면을 감싸는 형태의 외부집전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 외부집전부는 중공관 형태로 이루어져 내주면이 단위셀의 외주면에 접촉된 상태로 설치되고 상기 덮개부에는 외부집전부의 중공부와 연통되는 연료공급공이 형성된 구조도 특징으로 한다.
그리고 상기 외부집전부는 단위셀의 외주면 상에 도포나 증착 방식을 통해 도포되어 일단부가 덮개부에 접촉연결되는 구조로 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 단위셀 외주면 상에는 평탄부가 형성되고, 외부집전부가 상기 평탄부 상에 도포되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 내부집전부와 외부집전부 및 덮개부는 전체가 전도성 세라믹재로 이루어진 점도 특징으로 한다.
그리고 상기 내부집전부와 외부집전부 및 덮개부는 다공성 구조로 이루어진 점도 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 의한 연료전지의 스택은 제1전극, 전해질층 및 제2전극이 순차적으로 적층된 복수의 연료전지 단위셀 결합체를 포함하는 연료전지 스택에 있어서, 상기 단위셀의 일측단부에 구비된 제1덮개부와, 상기 제1덮개부와 연결되고 단위셀의 내주면에 접촉되는 제1내부집전부와, 상기 제1덮개부와 연결되고 단위셀의 외주면에 접촉되는 제1외부집전부를 포함하는 제1집전체 및 상기 단위셀의 타측단부에 구비된 제2덮개부와, 상기 제2덮개부와 연결되고 단위셀의 내주면에 접촉되는 제2내부집전부와, 상기 제2덮개부와 연결되고 단위셀의 외주면에 접촉되는 제2외부집전부를 포함하는 제2집전체를 포함하는 복수의 단위셀 결합체와
상기 복수의 단위셀의 제1집전체와 제2집전체가 삽입되는 삽입구가 형성되고 각 삽입구 사이에는 각 단위셀의 집전체를 연결하는 연결단자가 구비된 매니폴드를 포함한다.
본 발명에서 제1집전체는 상기 제2집전체와 연결된다.
또한, 본 발명에서 상기 제1집전체의 제1내부집전부는 상기 제2집전체의 제2내부집전부보다 길게 형성되고, 상기 제1집전체의 제1외부집전부는 상기 제2집전체의 제2외부집전부보다 짧게 형성된다.
또한, 본 발명에서 상기 매니폴드내의 각 연결단자 양단부에는 각 단위셀의 제1외부집전부와 제2외부집전부가 각각 접촉된다.
또한, 본 발명에서 상기 제1덮개부와 제2덮개부에는 상기 각 단위셀의 내부와 연통되는 연료공급공이 형성된다.
또한, 본 발명에서 상기 제1집전체의 제1덮개부와 제1내부집전부 및 상기 제2집전체의 제2덮개부와 제2내부집전부는 각각 일체로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 제1집전체의 제1덮개부와 제1외부집전부 및 상기 제2집전체의 제2덮개부와 제2외부집전부는 각각 일체로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 제1집전체와 제2집전체 전체가 각각 일체로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 제1집전체와 제2집전체는 각각 전도성 세라믹재로 형성되거나, 다공성 구조로 형성될 수 있다.
본 발명은 내부집전부와 외부집전부가 일체로 이루어진 캡구조에 의하여 접촉면적이 넓어져 외부집전 효율이 향상되며, 또한 간소한 집전구조로 인하여 경제성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 단위셀의 외주면 상에 평탄부를 구비시키고 상기 평탄부 상에 외부집전부를 도포시킴에 따라 외부집전부의 도포공정이 손쉽게 이루어질 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 개선된 집전구조로 인하여 매니폴드의 단위셀 수용구조 및 유로구조를 간소화 할 수 있는 장점도 있다.
도 1은 본 발명 중 단위셀과 각 집전체간 결합구조를 나타낸 전체 단면개략도
도 2 및 도 3은 본 발명의 단위셀 중 단위셀의 형상과 제1, 2집전체의 설치구조를 나타낸 단면 개략도
도 4 및 도 5는 본 발명의 변형실시예를 나타낸 전체 단면개략도
도 6 은 매니폴드의 구조를 나타낸 단면개략도
도 7 은 매니폴드에 각 단위셀이 결합된 상태에서 상호간 외부집전 연결구조를 나타낸 스택 전체 단면개략도
이하 첨부한 도면을 참고 하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 기재한다. 다만, 본 발명은 청구범위에 기재된 범위 안에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 하기에 설명하는 실시예는 표현 여부에 불구하고 예시적인 것에 불과하다.
본 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 아울러, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장될 수 있으며 실제의 층 두께나 크기와 다를 수 있다.
일반적으로 연료극 지지체식 연료전지의 단위셀은 원통형 연료극의 외주면에 전해질층과 공기극이 순차적으로 둘러싼 다중관 형태로 이루어진다.
그리고 단위셀의 연료극 내주면 상에는 내부집전을 위한 중공관 형태의 내부집전부가 설치되며, 외주면 상에는 각 단위셀 간 집전을 위한 외부집전부가 설치된 구조로 이루어진다. 이때 상기 내부집전부는 평판상태에서 연료극 내부에 삽입시켜 원통형태로 설치되는데, 이때 내부집전부의 외주면이 연료극 내주면 전체에 걸쳐 균일하게 접촉되어야지만 집전효율 저하현상을 방지할 수 있다.
하지만 이렇게 내부집전부를 평판상태에서 원통형태로 만들어야 하고, 더구나 이러한 작업이 일일이 수작업으로 이루어지기 때문에 내부집전부의 설치가 어렵고 정확한 원형구현도 어려울 수밖에 없다. 또한 외부집전부는 일반적으로 와이어 형태로 이루어져 연료극 외주면 상에 감긴 형태로 설치되는데, 이 경우 와이어 구조 상 외부집전부와 연료극 간에는 면접촉이 아닌 선접촉이 이루어진다. 따라서 그만큼 접촉면적이 적어 접촉저항이 증가되므로 전체적인 집전효율이 좋지 못하다는 문제점이 있다.
물론 외부집전부의 감김횟수를 늘리는 방법으로 접촉면적을 증가시킬 수는 있지만 그만큼 외부집전부의 소모량이 늘어나므로 집전효율증가율 대비 재료소모량 에 따른 비용손실이 더 커지게 된다.
그리고 와이어 형태의 외부집전부로 각 단위셀들이 연결된 상태에서 매니폴드에 설치되어 연료전지 스택을 이루게 될 때,　 연결상태에서 각 단위셀들이 동시에 설치되어야 하기 때문에 설치과정이 어려우며 더구나 설치과정에서 외부집전부의 손상문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 관한 고체산화물 연료전지는(1000)은 도 1 내지 도 3에 도시된 것처럼 제1전극과 전해질층, 제2전극간 적층구조를 갖는 단위셀(100) 및 단위셀(100)의 양단에 각각 설치되는 집전체(200)를 포함하여 구성된다.
그리고 연료전지의 스택은 도 7과 같이 상기 구성을 가진 복수개의 연료전지(1000)들이 별도의 매니폴드(400)에 결합되어 상호 연결된 구성으로 이루어진다.
참고로 본 발명에서는 이해를 돕기 위해 제1, 2전극 및 전해질층을 묶어 하나의 블록으로 도시하고 이를 단위셀(100)로 통칭한다. 또한, 참조번호 (1000)은 연료전지 단위셀과 구분하기 위하여 고체산화물 연료전지로 칭하기로 한다.
먼저 단위셀(100)는 앞에서 언급한 것처럼 연료극 기능을 하는 제1전극과 수소이온 및 산소이온의 이동로 역할을 하는 전해질층 및 공기극 기능을 하는 제2전극이 순차적으로 적층된 중공관 형태로 이루어진다.
이때 본 발명에서는 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼 단위셀(100)의 외주면상에 평탄부(110)를 형성시킴에 따라 외형이 기존 원형과 달리 다면체의 다각형 구조로 이루어질 수 있다.
즉 평탄부(110)가 외주면 둘레 상에 4개가 형성될 경우 단위셀(100)의 외형은 4각 관 형상을 띠게 되고 도면과 같이 8개가 형성될 경우 8각관 형상을 갖게 된다.
이처럼 단위셀(100) 상에 평탄부(110)를 형성시키는 이유는, 후술하는 외부집전부(216)(226)를 도포나 증착방식을 이용해 단위셀(100) 외주면 상에 구비시키는 과정에서 도포효율을 높이기 위한 것으로, 표면도포는 곡면에 비해 평면상에서 도포효율이 높기 때문이다.
또한 후술하겠지만 평탄부(110) 상에 외부집전부가 구비됨에 따라 각 단위셀들간 외부집전 연결과정에서 연결단자(420)와 각 외부집전부(216)(226) 간의 접촉이 안정적으로 이루어질 수 있기 때문이다.
따라서 평탄부(110)의 형성위치는 단위셀(100) 중에서 외부집전이 이루어지는 제2전극의 외주면 전체와 전해질층 중 연료극 일단부 상에 노출된 구간에만 형성되는 것도 가능하다.
하지만 전해질층의 일부구간에만 평탄부를 형성시킨 구조로는 제작이 어려우므로 전해질층 전체를 각형으로 제작할 수도 있다.
이 경우 제1전극을 제외한 전해질층과 제2전극은 모두 각관형태의 다각형 구조로 제작된다.
그리고 상기 평탄부(110)의 형성개수는 특정개수에 한정되지 않고 단위셀(100)의 직경 및 집전용량 등을 고려해 다양한 변형적용이 가능하며, 따라서 단위셀(100)의 외곽 모양도 도면에 도시된 8각에 한정되지 않고 다양한 형상으로 변형되어 구현될 수 있다.
이러한 단위셀(100)에는 단위셀의 내부 및 외부집전을 위한 집전체(200)가 더 구비되는데, 상기 집전체(200)는 다시 제1전극, 즉 연료극쪽 내외부집전을 위한 제1집전체(210)와 제2전극, 즉 공기극쪽 내외부 집전을 위한 제2집전체(220)로 나뉘어 구성된다.
상기 제1집전체(210)는 다시 제1내부집전부(214)와 제1외부집전부(216) 및 제1덮개부(212)로 구성되되, 본 실시예 에서는 제1내부집전부(214)와 제1덮개부(212)가 상호 일체로 이루어진 구조를 갖는다.
보다 구체적으로 설명하면, 도 1에 도시된 것처럼 상기 제1덮개부(212)는 기본적으로 단위셀(100)의 일단부, 특 연료극 쪽 단부면의 단면적 이상의 면적을 갖는 판재형태로 중앙에는 수소가스의 유입을 위한 연료공급공(212a)가 형성된 구조로 이루어진다. 그리고 재질은 후술하는 제1내부집전부(214)와 동일한 재질로 이루어지며 단위셀(100)의 연료극 입구를 막은 상태로 설치된 후 브레이징 등을 통해 단위셀(100)과 고정되도록 한다
그리고 상기 제1내부집전부(214)는 상기 제1덮개부(212)로부터 단위셀(100)의 길이방향으로 연장되어 단위셀(100)의 내주면상에 형성된다.
상기 제1내부집전부(214)는 종래의 연료극쪽의 집전체 기능을 하는 것으로, 단위셀의 내경, 즉 연료극의 내경과 동일한 외경을 갖는 원통형상으로 이루어지고, 연료극 내부에 삽입되어 외주면이 연료극 내주면에 접촉된 상태로 설치된다.
이때 제1내부집전부(214)의 일단부는 상기 제1덮개부(212)의 내면과 일체로 연결된 상태로 제작된다.
이러한 제1내부집전부(214)는 종래 내부집전부인 팰트-Ni메쉬의 적층구조와는 달리, 기본적으로 고가인 Ni메쉬를 사용하지 않고 비 저항이 높으며 화학적 특성이 단위셀(100)와 유사한 전도성 세라믹재를 사용함에 따라 기존에 비해 구조가 간소해 질뿐만 아니라 재질변화를 통해 제작비용이 절감될 수 있다.
그러나 제1덮개부(212)와 제1내부집전부(214) 자체를 매쉬구조와 같은 다공성 구조로 구현하는 것이 가능함은 물론이다.
한편, 앞에서 언급한 것처럼 제1내부집전부(214)를 단순 원형 세라믹재로 제작함과 더불어 제1덮개부(212)와 일체로 제작됨에 따라, 1내부집전부(214)는 단순히 단위셀(100)내부에 끼워넣기만 하면 설치가 완료되고, 이와 동시에 제1덮개부(212)가 단위셀(100)의 단부 입구에 밀착된 상태로 설치되므로, 마치 제1내부집전부(214)와 제1덮개부(212)간 결합체가 캡구조 방식으로 설치된다고 볼 수 있다.
그리고 제1덮개부(212)가 단위셀(100)의 단부 입구를 막은 상태로 설치됨에 따라, 연료공급공(212a)를 통해서만 단위셀(100) 내로 연료가 공급됨과 동시에 단위셀(100) 내부의 연료누출을 차단하는 마개역할을 하게 된다.
즉 본 발명은 내부집전부와 덮개부가 일체로 이루어져 캡방식으로 설치됨에 따라, 종래 기술에 비해 내부집전부의 설치과정이 간소해질 뿐만 아니라 내부집전부의 설치와 동시에 덮개부도 함께 설치되어 단위셀의 기밀성이 향상되므로 집전효율을 더욱 높일 수 있도록 한 것이 가장 큰 특징 중 하나이다.
이러한 내부집전구조를 갖는 각 단위셀을 연결하여 외부집전을 하기 위한 제1외부집전부(216)는 단위셀(100) 중 제1덮개부(212)가 위치되는 단부 외주면 상에 구비된다.
본 발명에서는 제1외부집전부(216)를 기존 와이어구조와 달리, 단위셀(100)의 해당구간 외주면 둘레를 따라 도포된 형태로 구비되는데, 상기 제1내부집전부(214)와 동일한 재질의 집전물질을 도포나 증착방식을 이용해 도포시킨다.
이때 앞에서 언급한 바와 같이 단위셀(100)의 외주면상에 평탄부(110)를 형성시킨 상태이기 때문에 제1외부집전부(216)는 평탄부(110) 상에 형성되는데, 이렇게 평탄부(110) 상에서 도포나 증착공정이 이루어지므로 기존처럼 원형일 경우에 비해 도포 효율이 높아질 수 있게 되는 것이다.
이렇게 제1외부집전부(216)가 도포형태로 구비됨에 따라, 기존 와이어 구조에 비해 단위셀(100)와의 접촉면적이 증가되는 반면 접촉저항은 줄어 들게 되어 그만큼 집전효율이 향상될 수 있는 효과를 얻게 된다.
또한 일일이 와이어를 권취하는 작업이 필요 없으므로 제작과정도 간소해 질 뿐만 아니라, 은이나 백금처럼 고가의 재질 대신에 세라믹재를 사용함에 따라 제품 단가를 현저히 낮출 수 있게 된다.
참고로 평탄부(110)는 제1외부집전부(216)의 도포효율, 즉 도포효율을 높이기 위해 형성시킨 것이므로, 기존과 같이 단위셀이 원형구조이더라도 충분한 도포효율을 얻을 수 있다면 굳이 평탄부를 형성시키지 않아도 무관하다.
이상 설명한 제1집전체(210)와 더불어 공기극의 내외부 집전기능을 하는 제2집전체(220)는 기본적으로 상기 제1집전체(210)와 대칭에 가까운 구조를 갖는데,
즉 단위셀(100)의 타측단부를 덮는 제2덮개부(222)와 상기 제2덮개부(222)에서 단위셀(100)의 길이방향으로 연장되어 일체로 형성된 제2내부집전부(224)로 이루어진다. 또한, 별도의 제2외부집전부(226)가 상기 제2덮개부(222)에서 단위셀(100)의 외주면으로 연장되어 형성된다.
즉, 제2집전체(220)는 단위셀(100)중 제1집전체(210)와 반대쪽 단부 입구 상에 제1집전체(210)와 대응되어 설치된다.
그리고 제2내부집전부(224)도 역시 Ni메쉬를 사용하지 않고 공기극 재질과 유사한 전도성 세라믹재를 사용하여 구조를 간소화 하며 제2외부집전부(226)와 제2덮개부(222)도 동일한 세라믹재를 사용하되 다공성 구조를 갖도록 하여 외부의 산소가 제2외부집전부(226)를 원활히 통과할 수 있도록 한다.
　이처럼 제2내부집전부(226)를 단순 원형 세라믹재로 제작함과 더불어 제2덮개부(222)와 일체로 제작됨에 따라,
종래기술과 달리 단순히 단위셀(100)내부에 끼워넣기만 하면 제2내부집전부(224)의 설치가 완료되고, 이와 동시에 제2덮개부(222)가 단위셀(100)의 해당 단부 입구를 막는 형태로 설치되므로, 제2내부집전부(224)와 제2덮개부(222)간 결합체도 역시 캡구조 및 방식으로 단위셀에 설치된다.
그리고 제2덮개부(222)도 제1덮개부(212)와 마찬가지로 단위셀(100)의 반대쪽 단부를 막는 마개역할을 하게 된다.
또한 공기극의 외부집전 역할을 하는 제2외부집전부(226)도 제1외부집전부(216)와 마찬가지로 단위셀(100)의 외주면, 즉 공기극의 외주면 상에 도포 방식을 통해 도포 형태로 구비된다.
그리고 제2외부집전부(226)도 도 3과 같이 단위셀에 형성된 평탄부(110)상에 도포됨에 따라 도포효율을 높일 수 있게 된다.
물론 이때에도 곡면 상에서 충분한 도포 효과를 얻을 수 있는 기술을 접목한다면 제1집전체(210)와 마찬가지로 역시 평탄부를 형성시키지 않고 기존 원형의 공기극 상에 제2외부집전부(226)를 직접 도포시킬 수도 있다.
이때 단위셀(100) 중 공기극은 외주면 전체가 외부에 노출된 상태이고, 노출된 면 전체를 통해 산소공급이 이루어지기 때문에, 이러한 공기극에 도포되는 제2외부집전부(226)는 제1외부집전부(216)에 비해 길이가 길어질 수밖에 없다.
반면에 제1내부집전부(224)가 연료극 전체길이에 걸쳐 접촉된 상태이기 때문에 제2내부집전부(224)는 제1내부집전부(214)에 비해 길이가 짧게 형성된다.
즉 제1, 2내외부 집전체간 길이비율은 상호 반대를 이루게 된다.
이상 설명에서는 제1, 2집전체(210)(220)가 모두 동일한 구조를 갖는 것으로 설명하였지만, 경우에 따라 제1, 2집전체(210)(220) 중 선택적으로 본 발명의 구조를 적용하고 나머지 하나는 종래의 구조를 적용할 수도 있다.
이상 설명한 본 발명은 다양한 형태로 변형될 수 있는데, 도 4는 그 변형예를 나타낸 도면으로, 본 실시예는 앞의 실시예와 기본구조, 즉 단위셀(100) 및 제1, 2집전체(210) 설치구조는 동일하되, 각 집전체(210)의 내부집전부(214)와 덮개부(212)가 일체가 아니라 외부집전부(216)와 덮개부(212))가 일체로 제작된 것에 차이가 있다.
이 경우 외부집전부(216)를 역시 도포형태로 형성시켜 도포과정에서 덮개부(212)와 일체화 되도록 하거나, 일단부가 덮개부(212)와 일체인 상태에서 내부직경이 단위셀(100)의 외부직경과 동일한 원형관 형태로 제작된 후 캡방식으로 단위셀(100)에 끼워지는 구조로 구현될 수 있다.
이 경우에도 단위셀(100)의 평탄부 형성유무는 외부집전부(216)의 형성방법에 따라 선택적용될 수 있다.
또한 본 실시예에서의 내부집전부(214)는 종래구조의 내부집전부를 적용하거나 앞의 실시예에서 제시된 단일 세라믹재로 구현될 수 있으며, 덮개부(212) 설치이전에 먼저 단위셀(100) 내에 삽입 설치된다.
참고로 본 실시예에서 양 집전체 중 하나는 본 실시예 구조를 적용하고 다른 하나는 앞의 실시예 구조를 혼합적용할 수도 있다.
그리고 도 5는 본 발명의 또 다른 변형예를 나타낸 도면으로, 기본구조는 앞의 두 실시예와 동일하되, 내부집전부(214)와 덮개부(212) 및 외부집전부(216)가 모두 일체로 제작되어 전체가 캡방식으로 단위셀(100) 단부에 끼워지는 것을 특징으로 한다.
　이 경우 도포 공정등을 필요로 하지 않기 때문에 집전체 설치과정이 더욱 간소해질 수 있는 장점이 있다.
참고로 본 실시예 에서도 양 집전체의 구조를 본 실시예 구조와 앞의 두 실시예의 구조를 선택하여 혼합 적용할 수 있다.
이와 같이 다양한 방식으로 집전체를 일체화시켜 캡방식으로 단위셀에 설치되도록 구현된 연료전지(1000)은, 도 6 및 도 7과 같이 별도의 매니폴드(400)에 결합된 상태에서 상호간 외부집전연결이 이루어짐에 따라 하나의 연료전지 스택을 이루게 된다.
이때 상기 매니폴드(400)는 연료전지(1000)의 양단부에 위치되되 상호 마주보는 면에는 각 연료전지(1000)의 제1, 2집전체(210)(220)가 삽입되는 삽입구(410)가 형성된 구조로 이루어진다.
이때 각 삽입구(410) 사이에는 각 연료전지(1000)간의 제1, 2집전체(210)(220)를 연결하는 연결단자(420)가 구비된다.
따라서 도 7과 같이 각 삽입구(410) 마다 연료전지(1000)의 집전체가 끼워짐과 동시에 각 연결단자(420)들의 양단부에는 각 단위셀의 제1외부집전부(216)와 제2외부집전부(226)가 각각 접촉됨에 따라, 각 연료전지(1000)간 외부집전 연결이 자동으로 이루어진다.
즉 각 연료전지(1000)들을 매니폴드(400)에 결합시킴과 동시에 각 연료전지(1000) 간 외부집전 연결이 이루어지는 것이다.
이때 도면과 같이 각 단위셀은 양단부의 위치가 번갈아가며 반대상태가 되도록 위치되고, 이 상태에서 상호 직렬 연결된다. 따라서 병렬연결에 비해 전력손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라,
상기와 같은 구조로 매니폴드를 구성함에 따라 매니폴드의 유로(430)가 일방향 유로구조를 갖게 되므로 매니폴드의 구조를 간소화 할 수 있게 된다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.
100 : 단위셀
1000 : 연료전지
110 : 평탄부
200 : 집전체
210 : 제1집전체
220 : 제2집전체

Claims (26)

  1. 제1전극, 전해질층 및 제2전극이 적층된 다중관 구조의 연료전지 단위셀에 있어서,
    상기 단위셀의 일측단부에 연결되는 제1집전체와, 타측단부에 연결되는 제2집전체를 포함하고, 상기 제1, 2집전체 중 어느 하나 이상은 상기 단위셀의 단부면과 내주면 또는 단부면과 외주면상의 어느 하나 이상에 형성되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 집전체는 상기 단위셀의 단부 입구 상에 위치되는 덮개부와, 상기 덮개부 중 단위셀과 마주보는 면으로부터 연장되어 상기 단위셀의 내주면에 삽입되는 내부집전부를 포함하여 일체로 구성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 집전체는 상기 단위셀의 단부 입구 상에 위치되는 덮개부와,
    상기 덮개부 중 단위셀과 마주보는 면으로부터 연장되어 상기 단위셀의 외주면과 접촉되는 외부집전부를 포함하여 일체로 구성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 내부집전부는 중공관 형태로 이루어져 외주면이 상기 단위셀의 제1전극 내주면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 외부집전부는 중공관 형태로 이루어져 내주면이 상기 단위셀의 외주면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  6. 제 2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 덮개부에는 상기 단위셀의 내부와 연통되는 연료공급공이 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 단위셀의 단부 외주면 상에는 외주면을 감싸는 형태로 설치되는 외부집전부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 단위셀의 단부 내주면 상에는 단위셀의 내주면에 접촉되는 내부집전부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 외부집전부는 상기 덮개부 및 내부집전부와 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  10. 제 7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 단위셀의 내주면 또는 외주면의 어느 하나 이상에는 평탄부가 형성되고, 상기 평탄부 상에 내부집전부 또는 외부집전부가 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 평탄부는 단위셀의 외주면 둘레를 따라 형성되고, 상기 단위셀은 다각형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지. .
  12. 제 11에 있어서,
    상기 평탄부는 단위셀의 단부쪽에 국부적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  13. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 내부집전부와 덮개부 또는 상기 외부집전부와 덮개부의 어느 하나 이상은 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  14. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 집전체는 전체가 전도성 세라믹재로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 집전체는 전체가 다공성 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  16. 제1전극, 전해질층 및 제2전극이 순차적으로 적층된 복수의 연료전지 단위셀 결합체를 포함하는 연료전지 스택에 있어서,
    상기 단위셀의 일측단부에 구비된 제1덮개부와, 상기 제1덮개부와 연결되고 단위셀의 내주면에 접촉되는 제1내부집전부와, 상기 제1덮개부와 연결되고 단위셀의 외주면에 접촉되는 제1외부집전부를 포함하는 제1집전체 및
    상기 단위셀의 타측단부에 구비된 제2덮개부와, 상기 제2덮개부와 연결되고 단위셀의 내주면에 접촉되는 제2내부집전부와, 상기 제2덮개부와 연결되고 단위셀의 외주면에 접촉되는 제2외부집전부를 포함하는 제2집전체를 포함하는 복수의 단위셀 결합체와
    상기 복수의 단위셀의 제1집전체와 제2집전체가 삽입되는 삽입구가 형성되고 각 삽입구 사이에는 각 단위셀의 집전체를 연결하는 연결단자가 구비된 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1집전체는 상기 제2집전체와 연결되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1집전체의 제1내부집전부는 상기 제2집전체의 제2내부집전부보다 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제1집전체의 제1외부집전부는 상기 제2집전체의 제2외부집전부보다 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 매니폴드내의 각 연결단자 양단부에는 각 단위셀의 제1외부집전부와 제2외부집전부가 각각 접촉되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 제1덮개부와 제2덮개부에는 상기 각 단위셀의 내부와 연통되는 연료공급공이 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 제1집전체의 제1덮개부 및 제1내부집전부 또는 상기 제2집전체의 제2덮개부 및 제2내부집전부의 어느 하나 이상은 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 제1집전체의 제1덮개부 및 제1외부집전부 또는 상기 제2집전체의 제2덮개부 및 제2외부집전부의 어느 하나 이상은 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  24. 제16항에 있어서,
    상기 제1집전체와 제2집전체의 어느 하나 이상은 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  25. 제16항에 있어서,
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  26. 제25항에 있어서,
    상기 제1집전체와 제2집전체의 어느 하나 이상은 다공성 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
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