KR20120086186A - Surface structure of cell for SOFC fuel-cell - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A surface structure of solid oxide fuel cell is provided to prevent the increase of contact resistance, to obtain sufficient reaction area, and to uniformly distribute gas flow. CONSTITUTION: A surface structure of solid oxide fuel cell comprises: a plurality of hemisphere shaped engraved patterns(21) which is formed on one side of a plat or pipe type cell, and a plurality of channel shaped connect pattern(22) forming continuous channels by connecting the plurality of engraved patterns. The angle between the plurality of connecting patterns, which are connected to one of the engrave patterns, is 180° or more. The continuous channel formed by the engraved patterns and the connect patterns has a zigzag shape.

Description

고체산화물 연료전지 셀의 표면구조{Surface structure of cell for SOFC fuel-cell}Surface structure of cell for SOFC fuel-cell

본 발명은 접촉저항의 증가를 방지하면서 충분한 반응면적을 확보할 수 있으며 가스의 흐름이 균일하게 분포될 수 있는 고체산화물 연료전지 셀의 표면구조에 관한 것이다.
The present invention relates to a surface structure of a solid oxide fuel cell that can secure a sufficient reaction area while preventing an increase in contact resistance and can evenly distribute gas flow.

차세대 연료전지로 불리는 고체산화물 연료전지는, 산소 또는 수소 이온전도성을 띄는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써 1937년에 Bauer와 Preis에 의해 처음으로 작동되었다. 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 알칼리형, 인산형, 용융탄산염, 고체산화물 및 고분자 연료전지로 분류된다.The solid oxide fuel cell, called the next generation fuel cell, was first operated by Bauer and Preis in 1937 as a fuel cell using a solid oxide with oxygen or hydrogen ion conductivity as an electrolyte. Depending on the type of electrolyte used, it is largely classified into alkali type, phosphoric acid type, molten carbonate, solid oxide, and polymer fuel cell.

고체산화물 연료전지는 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700 - 1000 ℃)에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어 져있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. Solid oxide fuel cells operate at the highest temperatures (700-1000 ° C) of existing fuel cells and are simpler in structure than other fuel cells because all components are solid, resulting in electrolyte loss, replenishment and corrosion. There is no problem, no noble metal catalyst and easy fuel supply through direct internal reforming.

또한, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점 때문에 고체산화물 연료전지에 관한 연구는 21세기초 상업화를 목표로 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 활발히 이루어지고 있다.In addition, it has the advantage that thermal combined cycle power generation using waste heat is possible because the high-temperature gas is discharged. Because of these advantages, research on solid oxide fuel cells has been actively conducted in advanced countries such as the United States and Japan, aiming to commercialize in the early 21st century.

고체산화물 연료전지는 원통형 SOFC, 평판형 SOFC 및 평관(platten tube) 형으로 나눌 수 있으며, 특히 평판형 및 평관형은 기존 원통형과 비교하여 스택부피를 줄일 수 있고 공기극 공급튜브를 제거하고 집전저항을 줄임으로써 출력밀도를 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
Solid oxide fuel cell can be divided into cylindrical SOFC, flat SOFC and plate tube type. Especially, flat plate and flat tube type can reduce stack volume, eliminate cathode feed tube and reduce current collection resistance compared with conventional cylindrical type. There is an advantage to increase the power density by reducing.

접촉저항의 증가를 방지하면서 충분한 반응면적을 확보할 수 있으며 가스의 흐름이 균일하게 분포될 수 있는 고체산화물 연료전지 셀의 표면구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
It is an object of the present invention to provide a surface structure of a solid oxide fuel cell in which a sufficient reaction area can be secured while preventing an increase in contact resistance and gas flow can be uniformly distributed.

본 발명의 일측면에 따른 스택형 고체산화물 연료전지 셀의 표면 구조는 연료전지의 평판형 또는 평관형 셀의 일면에 복수개가 음각으로 형성되며 반구형상의 음각패턴; 및 상기 복수개의 음각패턴을 이어 연속통로를 형성하는 복수개의 채널형상의 연결패턴을 포함하고, 상기 하나의 음각패턴에 연결된 상기 복수개의 연결패턴간에 형성하는 각도는 180°이상 또는 이하이다.The surface structure of a stack-type solid oxide fuel cell according to an aspect of the present invention is a plurality of intaglio intaglio on one surface of a flat or flat tube cell of the fuel cell, hemispherical intaglio pattern; And a plurality of channel-shaped connection patterns connecting the plurality of intaglio patterns to form a continuous path, and an angle formed between the plurality of connection patterns connected to the one intaglio pattern is 180 ° or more or less.

또한, 상기 복수개의 음각패턴과 상기 복수개의 연결패턴이 형성하는 상기 연속통로는 지그재그 형상으로 할 수 있다.The continuous passage formed by the plurality of intaglio patterns and the plurality of connection patterns may be zigzag.

또한, 상기 복수개의 음각패턴과 상기 복수개의 연결패턴이 형성하는 상기 연속통로는 육각형의 집합인 벌집형 패턴을 형성으로 할 수 있다. 특히, 상기 육각형은 정육각형으로 할 수 있다.In addition, the continuous passage formed by the plurality of intaglio patterns and the plurality of connection patterns may form a honeycomb pattern that is a set of hexagons. In particular, the hexagon may be a regular hexagon.

상기 음각패턴의 반구표면에 형성된 딤플을 더 포함할 수 있다.
It may further include a dimple formed on the hemisphere surface of the intaglio pattern.

본 발명의 평관형 또는 평판형 고체산화물 연료전지 셀의 표면 구조는 반응면적을 증가시킬 수 있어 연료전지의 단위셀당 출력밀도를 높일 수 있다. 또한, 접촉면적이 늘어나더라도, 상층 또는 하층의 셀과의 접촉면적이 유지되어 반응 면적을 증가시킴으로써 발생하는 접촉저항의 증가를 방지할 수 있다.
The surface structure of the flat or planar solid oxide fuel cell of the present invention can increase the reaction area, thereby increasing the output density per unit cell of the fuel cell. In addition, even if the contact area is increased, the contact area with the upper or lower cells can be maintained to prevent an increase in contact resistance caused by increasing the reaction area.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 셀의 표면패턴을 나타낸 평면도.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 셀의 표면패턴을 나타낸 평면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 셀의 표면패턴을 나타낸 평면도.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 셀의 표면패턴을 나타낸 평면도.1 is a plan view showing a surface pattern of a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
2 is a plan view showing a surface pattern of a solid oxide fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
3 is a plan view showing a surface pattern of a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
4 is a plan view showing a surface pattern of a solid oxide fuel cell according to a third embodiment of the present invention.

본 발명은 평관형 또는 평판형 고체산화물 연료전지에에 있어서, 셀과 셀사이 혹은 셀과 연결재 사이에 가스의 흐름이 균일하게 분포될 수 있는 고체산화물 연료전지 셀의 표면구조에 관한 것으로, 이하 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보도록 한다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface structure of a solid oxide fuel cell in which a flow of gas is uniformly distributed between a cell and a cell or between a cell and a connecting member in a flat or flat solid oxide fuel cell. Let's look at it in detail.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 셀의 표면패턴을 나타낸 평면도로서, 연료전지 셀(10), 음각패턴(21) 및 연결패턴(22)이 도시되어 있다.FIG. 1 is a plan view showing a surface pattern of a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention, in which a fuel cell 10, an intaglio pattern 21, and a connection pattern 22 are illustrated.

스택형 고체산화물의 평판형 또는 평관형 연료전지의 셀은 그 표면에 유로가 형성되며, 이 유로는 연료전지의 양극과 음극에 공급되는 공기(산소) 또는 연료(수소)가 공급되는 통로로 이용되거나 냉각유체가 흐르는 통로로서 이용된다.A flat or flat tube fuel cell of stacked solid oxide has a flow path formed on its surface, which is used as a passage for supplying air (oxygen) or fuel (hydrogen) to the anode and cathode of the fuel cell. Or as a passage through which a cooling fluid flows.

유체의 흐름이 원활하게 이루어질 수 있다는 측면에서 유로의 단면적을 증가시키는 것이 유리하나 반대로 유로를 증가시킴으로써 각 층간에 접하는 면적이 줄어들면 전류의 통로가 되는 면적이 줄어들어 접촉저항이 증가하는 문제가 발생한다.It is advantageous to increase the cross-sectional area of the flow path in terms of smooth flow of the fluid, but on the contrary, if the area between each layer is reduced by increasing the flow path, the area for passage of current decreases, resulting in increased contact resistance. .

또한, 유로가 길이방향으로 직선으로 형성되는 경우 기계적으로 취약하여 유로형상대로 셀이 파손되는 문제가 있다. In addition, when the flow path is formed in a straight line in the longitudinal direction, there is a problem that the cell is broken in the shape of the flow path due to mechanical weakness.

따라서, 본 발명에서는 유로의 면적을 증가시키면서 접촉저항을 증가시키지 않고 더 나아가 유로형성 부위의 기계적 취약성을 개선할 수 있는 연료전지 셀 표면구조에 대해 제안한다.Therefore, the present invention proposes a fuel cell cell surface structure that can improve the mechanical fragility of the flow path formation site without increasing the contact resistance while increasing the area of the flow path.

음각패턴(21)은 스택형 고체산화물 연료전지의 평판형 또는 평관형 셀의 일면에 복수개가 음각으로 형성되며 반구형상의 패턴으로서, 그 단면은 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 연료전지 셀(10)은 양극(11), 음극(13) 및 그 사이에 개재된 전해질층(12)을 포함하며, 양극(13) 표면에 패턴(21)이 형성되어 있는 연료전지 셀을 도시하고 있다. The intaglio pattern 21 is formed in a plurality of intaglio patterns on one surface of a flat plate or flat tube cell of a stacked solid oxide fuel cell, and a cross section is shown in FIG. 3. 3 illustrates a fuel cell 10 including a positive electrode 11, a negative electrode 13, and an electrolyte layer 12 interposed therebetween, and having a pattern 21 formed on the surface of the positive electrode 13. The cell is shown.

이처럼 양극(13)에 패턴을 형성하는 경우 그 유로는 단순히 기체가 통과하는 유로 이외에 반응이 일어나는 면적이 되므로, 반응면적의 증가 효과가 있다. 냉각수가 통과할 수 있는 유로로서 이용하는 경우에는 음극(11)이 노출된 면에 패턴을 형성할 수 있다. As such, when the pattern is formed on the anode 13, the flow path is an area in which the reaction occurs in addition to the flow path through which the gas simply passes, thereby increasing the reaction area. When using as a flow path through which cooling water can pass, a pattern can be formed on the surface on which the cathode 11 is exposed.

연결패턴(22)은 음각패턴(21)을 이어 연속통로를 형성하는 채널형상의 패턴으로서, 하나의 음각패턴(21)에 연결된 복수개의 연결패턴 간에 형성하는 각도는 180°이상 또는 이하가 되도록 하여, 직선으로 이어지지 않도록 형성한다.The connection pattern 22 is a channel-shaped pattern that forms a continuous path by connecting the intaglio pattern 21. The angle formed between the plurality of connection patterns connected to one intaglio pattern 21 is 180 ° or more or less. , So that it does not lead to a straight line.

연결패턴(22)이 직선으로 이어지는 경우 결국 전체 유로는 직선형의 유로가 되어 기계적 취약성을 극복할 수 없으나, 직선이 이루어지지 않도록 평행하지 않고 각이 형성되도록 꺽어진 형상으로 형성하는 경우 직선형상 유로의 기계적 취약성을 극복할 수 있다.When the connecting pattern 22 is straight, the entire flow path is a straight flow path, which cannot overcome mechanical weakness. It can overcome mechanical weaknesses.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이 이웃하는 음각패턴(21) 간의 위치를 비스듬하게 형성하고 연결패턴(22)으로 각 음각패턴(21)을 연결하면 지그재그 형상의 유로가 형성된다. That is, as shown in FIG. 1, when the positions between neighboring intaglio patterns 21 are formed obliquely, and the intaglio patterns 21 are connected with the connection patterns 22, a zigzag flow path is formed.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 셀의 표면패턴을 나타낸 평면도로서, 음각패턴(21)과 연결패턴(22)이 형성하는 상기 연속통로는 육각형의 집합인 벌집 형상으로 할 수 있다. 벌집 형상, 즉 허니콤(honeycomb) 구조는 휨이나 압축력에 강하기 때문에 셀이 압축력 등에 대한 저항력을 크게 할 수 있다.2 is a plan view showing a surface pattern of a solid oxide fuel cell according to a second embodiment of the present invention. can do. The honeycomb shape, that is, the honeycomb structure, is resistant to warpage and compressive force, so that the cell can increase its resistance to compressive force.

특히, 육각형은 정육각형으로 하는 경우 각 음각패턴(21) 간의 간격이 균일하게 되어 셀 전체에 균일하게 산소 또는 수소가 공급이 될 수 있으므로 반응효율이 향상될 수 있다.In particular, when the hexagon is a regular hexagon, the interval between each intaglio pattern 21 is uniform, so that oxygen or hydrogen can be uniformly supplied to the entire cell, and thus the reaction efficiency can be improved.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 셀의 표면패턴을 나타낸 단면도로서, 연료전지 셀(10)은 양극(11), 음극(13) 및 그 사이에 개재된 전해질층(12)을 포함하며, 음극(13) 표면에 패턴(21)이 형성되어 있는 연료전지 셀을 도시하고 있다. 4 is a cross-sectional view illustrating a surface pattern of a solid oxide fuel cell according to a third embodiment of the present invention, wherein the fuel cell 10 includes a positive electrode 11, a negative electrode 13, and an electrolyte layer interposed therebetween. 12 illustrates a fuel cell in which a pattern 21 is formed on a surface of a cathode 13.

단면에는 양극에 음각패턴(21)만 도시되어 있으나, 같은 면에 연결패턴(22)도 형성되어 있고, 표면적을 더욱 증가시키기 위해 음각패턴(21)의 반구표면에 딤플(23)을 형성하여, 표면적을 더욱 증가시킬 수 있다. In the cross section, only the intaglio pattern 21 is shown on the anode, but the connection pattern 22 is also formed on the same surface, and the dimples 23 are formed on the hemisphere surface of the intaglio pattern 21 to further increase the surface area. The surface area can be further increased.

연료전지 셀의 표면 패턴은 레이저 등을 이용하여 식각할 수도 있으나, 보다 간편하게 음극을 사출하고 건조하기 전에 스탬핑 방법으로 패턴을 찍어서 형성할 수 있다.The surface pattern of the fuel cell may be etched using a laser or the like, but may be formed by stamping a pattern by a stamping method before injecting and drying the cathode.

상술한 바와 같이 본 발명의 평관형 또는 평판형 고체산화물 연료전지 셀의 표면 구조는 반응면적을 증가시킬 수 있어 연료전지의 단위셀당 출력밀도를 높일 수 있다. 또한, 접촉면적이 늘어나더라도, 상층 또는 하층의 셀과의 접촉면적이 유지되어 반응 면적을 증가시킴으로써 발생하는 접촉저항의 증가를 방지할 수 있다.
As described above, the surface structure of the flat or flat solid oxide fuel cell of the present invention can increase the reaction area, thereby increasing the output density per unit cell of the fuel cell. In addition, even if the contact area is increased, the contact area with the upper or lower cells can be maintained to prevent an increase in contact resistance caused by increasing the reaction area.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It will be understood that the invention may be varied and varied without departing from the scope of the invention.

10: 연료전지 셀 11: 음극
12: 전해질층 13: 양극
21: 음각패턴 22: 연결패턴
23: 딤플10: fuel cell cell 11: negative electrode
12: electrolyte layer 13: anode
21: engraving pattern 22: connection pattern
23: dimple

Claims (5)

스택형 고체산화물 연료전지의 평판형 또는 평관형 셀의 일면에 복수개가 음각으로 형성되며 반구형상의 음각패턴; 및
상기 복수개의 음각패턴을 이어 연속통로를 형성하는 복수개의 채널형상의 연결패턴을 포함하고,
상기 하나의 음각패턴에 연결된 상기 복수개의 연결패턴간에 형성하는 각도는 180°이상 또는 이하인 스택형 고체산화물 연료전지 셀의 표면 구조.
A plurality of hemispherical intaglio patterns formed in a plurality of intaglio on one surface of a planar or flat tube cell of the stacked solid oxide fuel cell; And
It includes a plurality of channel-shaped connection patterns to form a continuous passage by connecting the plurality of intaglio patterns,
Surface angle of the stack-type solid oxide fuel cell cell formed between the plurality of connection patterns connected to the one intaglio pattern is more than 180 ° or less.
제1항에 있어서,
상기 복수개의 음각패턴과 상기 복수개의 연결패턴이 형성하는 상기 연속통로는
지그재그 형상인 것을 특징으로 하는 스택형 고체산화물 연료전지 셀의 표면 구조.
The method of claim 1,
The continuous passage formed by the plurality of intaglio patterns and the plurality of connection patterns
Surface structure of a stacked solid oxide fuel cell, characterized in that the zigzag shape.
제1항에 있어서,
상기 복수개의 음각패턴과 상기 복수개의 연결패턴이 형성하는 상기 연속통로는
육각형의 집합인 벌집 형상인 것을 특징으로 하는 스택형 고체산화물 연료전지 셀의 표면 구조.
The method of claim 1,
The continuous passage formed by the plurality of intaglio patterns and the plurality of connection patterns
Surface structure of a stack-type solid oxide fuel cell, characterized in that the honeycomb is a set of hexagons.
제3항에 있어서,
상기 육각형은 정육각형인 것을 특징으로 하는 스택형 고체산화물 연료전지 셀의 표면 구조.
The method of claim 3,
The hexagonal surface structure of a stack-type solid oxide fuel cell, characterized in that the regular hexagon.
제1항에 있어서,
상기 음각패턴의 반구표면에 형성된 딤플을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스택형 고체산화물 연료전지 셀의 표면 구조.
The method of claim 1,
And a dimple formed on the hemispherical surface of the engraved pattern.
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