KR20130016140A

KR20130016140A - 튜브형 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제작 방법

Info

Publication number: KR20130016140A
Application number: KR1020120132610A
Authority: KR
Inventors: 정종식; 김림
Original assignee: 주식회사 포스비
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2013-02-14

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.

Description

튜브형 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제작 방법{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.

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 750~1000의 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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; 및

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; 및

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.

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.

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.

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 제1가스채널이라 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.

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.

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.

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.

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 베이스의 내부 체널들로 바로 유입될 수 있도록 한다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 대해 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하고자 하나 본 발명이 여기에 국한되는 것은 아니다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

Claims

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.
청구항 2
제1항에 있어서, 상기 튜브형 지지체의 외면 중앙부에 연료전지용 단위 셀이 형성되고, 상기 튜브형 지지체의 외면 양단부에 전기연결재가 형성되는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍.
제1항에 있어서, 상기 튜브형 지지체는 외면 양단에 링형태의 전기 연결재와 스페이서가 끼워져 적층되는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍.
제1항에 있어서, 상기 튜브형 지지체의 외면 양단에 밀봉부재가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍.
제1항에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지용 스텍의 제1가스가 출입하는 양측에 집전판과 제1가스 흐름용 챔버가 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍.
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.
제6항에 있어서, 상기 전기연결재는 튜브형 지지체의 외면에 끼워지는 링형태의 부재인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍.
제6항에 있어서, 상기 전기연결재의 일측에 링 형태의 스페이서가 형성된 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 튜브형 지지체의 양측에 링 형태의 밀봉재가 더 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍.
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.
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.
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.
제12항에 있어서, 상기 스택 모듈 내 배열된 단위 스택 사이는 일정한 두께의 유량 감소판이 삽입된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 모듈.
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.
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.
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.
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.
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.
제18항에 있어서, 상기 전기연결재는 튜브형 지지체의 양측에 삽입되는 링형상의 전기연결재인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위 스텍 제조 방법.
제19항에 있어서, 상기 튜브형 지지체의 양측에는 링형상의 스페이서와 밀봉재가 더 삽입되고, 적층된 상태에서 고온 소결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 스텍 제조 방법.
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.
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.
제21항에 있어서, 제2가스 흐름용 채널은 적층된 튜브형 지지체 사이에 생성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 모듈 제조 방법.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 튜브형 지지체의 제2가스채널 부분에 단위 셀이 1개 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 모듈 제조 방법.
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.
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.
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.
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.
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.
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.