KR20140053568A - 고체산화물 연료전지 모듈 - Google Patents

고체산화물 연료전지 모듈 Download PDF

Info

Publication number
KR20140053568A
KR20140053568A KR1020120119656A KR20120119656A KR20140053568A KR 20140053568 A KR20140053568 A KR 20140053568A KR 1020120119656 A KR1020120119656 A KR 1020120119656A KR 20120119656 A KR20120119656 A KR 20120119656A KR 20140053568 A KR20140053568 A KR 20140053568A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
unit cells
electrolyte
stack
solid oxide
Prior art date
Application number
KR1020120119656A
Other languages
English (en)
Inventor
길재형
구본석
Original Assignee
삼성전기주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전기주식회사 filed Critical 삼성전기주식회사
Priority to KR1020120119656A priority Critical patent/KR20140053568A/ko
Priority to US13/770,124 priority patent/US20140120450A1/en
Publication of KR20140053568A publication Critical patent/KR20140053568A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/002—Shape, form of a fuel cell
    • H01M8/004—Cylindrical, tubular or wound
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/243—Grouping of unit cells of tubular or cylindrical configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H01M8/0208—Alloys
    • H01M8/021—Alloys based on iron
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232—Metals or alloys
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지 모듈에 관한 것으로, 원통형 내부전극과 전해질 및 외부전극을 갖춘 원통형상으로 형성된 다수의 단위전지와; 나란하게 배열된 한쌍의 집전 플레이트와 이 한쌍의 집전 플레이트 사이의 간극을 변경하는 탄성부를 구비한 스택 지지체;로 이루어지고, 스택 지지체는 단위전지의 외부전극에 전기연통가능하게 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

고체산화물 연료전지 모듈 {Solid oxide fuel cell module}
본 발명은 고체산화물 연료전지 모듈에 관한 것이다.
통상적으로, 연료전지는 연료(수소, LNG, LPG 등)와 공기(산소)의 화학에너지를 전기화학반응을 통해 전기와 열로 직접 변환시키는 장치이다. 종래의 발전기술이 연료 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 발전기 구동 등의 과정을 거치는 것과는 달리 연료전지는 연료 연소나 터빈 구동의 과정이 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경문제를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이다. 이러한 연료전지는 SOX와 NOX 등의 대기오염물질을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적어 무공해 발전이 가능하며, 저소음, 무진동 등의 장점이 존재한다.
연료전지는 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC) 등 다양한 종류가 있는데, 이 중 고체산화물 연료전지(SOFC)는 활성화 분극을 바탕으로 한 과전압이 낮고, 비가역적 손실이 적으므로 발전효율이 높다. 또한, 전극에서의 반응속도가 빠르기 때문에 전극 촉매로서 값비싼 귀금속을 필요로 하지 않는다. 따라서, 고체산화물 연료전지는 향후 수소 경제 사회로의 진입을 위해서 필수적인 발전기술이다.
이러한 고체산화물 연료전지의 특징은 기존의 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와 달리 탄소 또는 하이드로 카본계의 어떤 연료이든 모두 활용가능하기 때문에 연료 선택의 자유도가 높은 장점이 있으며, 수소(H2)가 연료로 사용되었을 때의 화학 반응식은 아래와 같이 나타내어진다.
- 연료극 반응(Anode reaction): H2(g) + O2 - → H2O(g) + 2e-
CO(g) + O2 - → CO2(g) + 2e-
- 공기극 반응(Cathode reaction): O2(g) + 4e- → 2O2 -
- 전체 반응(Overall reaction): O2 + H2 + CO → H2O + CO2
기존의 원통형 연료전지의 단위전지 간 연결이나 외부전극을 통한 집전방식으로는 대표적으로 전극 외부를 고전도성 전선으로 감아서 집전하고 이 집전선을 연장하여 단위전지와 단위전지를 연결하는 와이어 와인딩(wire winding) 방식과 폼(foam) 구조를 이용하여 집전하는 방식 등이 있다.
예컨대, 대한민국 공개특허 제10-2011-0085848호(특허문헌 1)에서는 집전을 위해 전극 외부를 와인딩(winding)하는 방법을 개시하고 있는데, 이 방법은 단위전지의 크기에 따라서 집전하는 와이어(wire)의 길이도 같이 증가하게 되므로 이에 따른 저항증가를 수반하게 되어 최종적으로는 집전저항의 증가를 통한 단위전지 성능 감소를 초래하여 전체 시스템의 성능 감소를 가져오게 된다. 더욱이, 단위전지를 적층하여 스택킹(stacking)하는 경우에 각각의 단위전지마다 와이어링을 수행해야 하므로 전체적인 집전 시스템이 매우 복잡해지는 단점이 존재한다.
특허문헌 1 : 대한민국 공개특허 제10-2011-0085848호
본 발명은 전술된 문제점과 단점을 해소하기 위해 창출된 것으로, 집전 효율을 개선하면서 적층상태에서 안정성을 보장하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 원통형 내부전극과 전해질 및 외부전극을 갖춘 원통형상으로 형성된 다수의 단위전지와; 나란하게 배열된 한쌍의 집전 플레이트와 이 한쌍의 집전 플레이트 사이의 간극을 변경하는 탄성부를 구비한 스택 지지체;로 이루어지고, 스택 지지체는 단위전지의 외부전극에 전기연통가능하게 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.
선택가능하기로, 본 발명은 단위전지의 외부면과 스택 지지체 사이에 금속 메쉬를 추가로 배열하는데, 금속 메쉬는 단위전지의 외부전극과 동일한 형상으로 형성된다.
집전 플레이트는 다수의 관통공을 형성하여 가스(연료 혹은 공기)의 유로를 제공하게 된다.
집전 플레이트는 편평한 플레이트로 형상되거나 단위전지의 외부면과 동일한 곡률로 만곡되게 형성될 수 있다.
단위전지는 외부전극과 전해질을 제거하여 내부전극 일부를 외부로 노출시킨 노출 부위를 형성하고, 노출된 내부전극에 연결재를 추가로 구비한다.
바람직하기로, 연결재는 외부전극의 최상단부보다 높게 외부로 돌출되도록 한다.
특히, 연결재는 외부전극과 전기연통되지 않도록 소정의 간격으로 이격되게 배열된다.
스택 지지체는 SUS계 합금으로 제작되고, 내산화 코팅으로 도포될 수 있다.
고체산화물 연료전지 모듈은 원통형상의 단위전지를 수용할 수 있게 3개의 스택 지지체를 U자형상으로 배열한다. 즉, 스택 지지체는 단위전지에 노출부위를 제외한 하부면과 양 측면에 배열된다.
선택가능하기로, 단위전지는 원통형상의 연료극과 이 연료극의 외주면에 전해질, 공기극의 순으로 적층되어, 연료극이 내부전극을 형성하고 공기극이 외부전극을 형성할 수 있도록 배열된다.
이와 달리, 단위전지는 원통형상의 공기극과 이 공기극의 외주면에 전해질, 연료극의 순으로 적층되어, 공기극이 내부전극을 형성하고 연료극이 외부전극을 형성할 수도 있다.
고체산화물 연료전지 모듈은 지지벽으로 둘러싸여 있는 하우징 내에서 적층되며, 하우징의 상부 지지벽과 하부 지지벽에 각각의 전류 집전판을 구비한다.
하우징은 지지벽의 내측면에 절연판을 추가로 구비한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 하나 이상의 스택 지지체로 형성된 내부 공간에 단위전지를 배열한 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.
본 발명은 단위전지와 스택 지지체 사이에 안정적인 접촉상태를 유지하는 동시에 집전 효율을 개선하는 효과를 가져온다.
본 발명은 스택 집적시에도 스택 지지체의 탄발력을 통해 단위전지의 직렬 및/또는 병렬 연결을 자유롭게 구축할 수 있다.
이와 더불어서, 본 발명은 단위전지 외부에 하나 이상의 스택 지지체를 구비하여 접촉저항을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1a는 다른 유형의 스택 지지체를 구비한 고체산화물 연료전지 모듈을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 고체산화물 연료전지 모듈의 병렬 결합상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈을 적층한 단면도이다.
이제, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈은 첨부 도면을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 장점, 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되는 실시예들을 통해 명확해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불명료하게 할 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 일례에 따른 고체산화물 연료전지 모듈은 원통형상으로 이루진 단위전지(100)와 스택 지지체(200)로 이루어지는데, 구체적으로 원통형상의 단위전지(100)는 이미 널리 알려져 있는 바와 같이 내부전극(110), 전해질(120), 외부전극(130), 및 연결재(140)로 구성된다. 단위전지(100)는 원통형 내부전극(110), 이 원통형 내부전극(110)의 외주면에 배치된 전해질(120), 이 전해질(120)의 외주면에 배치된 외부전극(130)을 구비하는 한편, 원통형 내부전극(110)의 외주면 일측에서 길이방향으로 길이연장되는 연결재(140)를 구비한다. 이 연결재(140)는 외부전극(130)의 외주면 밖으로 돌출되는 동시에 외부전극(130)과 소정의 간격으로 이격되게 배열되어 있다.
도 1에서, 단위전지(100)는 전술된 바와 같이 내부전극(110)과 전해질(120) 및 외부전극(130)의 순서대로 적층되되, 내부전극(110)은 연료극으로 형성되고, 외부전극(130)은 공기극으로 형성된 실례를 토대로 하여 설명하도록 한다.
원통형 내부전극(110)의 연료극은 이의 외주면에 적층된 전해질(120)과 외부전극(130)의 공기극을 지지하는 역할을 수행하게 된다. 연료극은 원통형으로 형성되어 매니폴드로부터 연료(수소)를 공급받아 전극반응을 통해서 음전류를 생성한다.
바람직하기로, 연료극은 산화니켈(NiO)과 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ;Yttria stabilized Zirconia)를 1,200℃ 내지 1,300℃로 가열하여 형성되는데, 산화니켈이 수소에 의해서 금속니켈로 환원되어 전자 전도성을 발휘하면서 이트리아 안정화 지르코니아는 산화물로서 이온 전도성을 발휘하게 된다.
전해질(120)은 공기극에서 발생하는 산소이온을 연료극으로의 전달을 돕는데, 도시된 바와 같이 연료극의 외주면 상에 적층된다.
전해질은 이미 당해분야의 숙련자들에게 있어 널리 알려져 있는 플라즈마 스프레이법(plasma spray), 전기화학 증착법, 스퍼터링법(sputtering), 이온빔법, 이온주입법 등의 건식법이나, 테이프 캐스팅법(tape casting), 스프레이 코팅법(spray coating), 딥 코팅법(dip coating), 스크린 프린팅법(screen printing), 닥터 블레이드법(doctor blade) 등의 습식법으로 코팅된 후 1,300℃ 내지 1,500℃로 소결하여 형성할 수 있다. 전해질(120)은 연료극의 외부에 YSZ 또는 ScSZ(Scandium stabilized Zirconia), GDC, LDC 등을 이용하여 형성되는바, 이트리아 안정화 지르코니아는 4가 지르코늄 이온의 일부가 3가의 이트리움 이온으로 대치되어 있으므로 이트리움 이온 2개당 1개의 산소이온 구멍이 내부에 발생하고, 고온에서 구멍을 통해서 산소이온이 이동하게 된다. 한편, 전해질(120)은 이온 전도율이 낮아 저항 분극으로 인한 전압 강하가 적게 발생하기 때문에 가급적 얇게 형성하는 것이 바람직하다. 만약 전해질(120)에 기공이 생기게 되면, 연료(수소)와 공기(산소)가 직접 반응하는 크로스 오버(cross over)현상이 발생하여 효율이 떨어지므로, 흠집이 발생되지 않도록 주의해야 한다.
공기극은 산화분위기가 조성된 외부로부터 공기(산소)를 공급받아 전극반응을 통해서 양전류를 생성하게 되는데, 도시되었듯이 전해질(120)의 외주면에 적층되어 있다. 공기극은 전자 전도성이 높은 란탄스트론튬 망가나이트((La0 .84 Sr0 .16) MnO3) 등을 전해질과 유사한 건식법 혹은 습식법으로 코팅한 후 1,200℃ 내지 1,300℃로 소결하여 형성할 수 있다. 즉, 공기극에서 공기(산소)가 란탄스트론튬 망가나이트의 촉매 작용으로 산소이온으로 전환되어 전해질(120)을 매개로 하여 연료극에 전달된다.
연결재(140)는 도시된 바와 같이 내부전극(110)의 노출된 외주면 일측에 직접 연결되어 내부전극(110)의 연료극에서 생성된 음전류를 단위전지(100) 외부(혹은 전류 집전판)에 전달한다. 다시 말하자면, 연결재(140)는 내부전극(110)의 집전을 위한 부재이므로 전기전도성을 갖춰야 한다.
단위전지(100)는 전해질(120)과 외부전극(130)의 외주면 일측을 제거하여 내부전극(110)의 외주면 노출 부위(111;도 2 참조)를 노출시킨다. 그런 다음에, 노출 부위(111)에 연결재(140)를 배치한다. 연결재(140)는 전술된 바와 같이 내부전극(110)과 전기적으로 연통되므로, 외부전극(130)과 접촉하게 될 경우에 단락(short)가 발생된다. 따라서, 연결재(140)와 외부전극(130)은 소정의 간격(D;도 2 참조)으로 떨어지게 배열되도록 한다.
특별하기로, 연결재(140)는 외부를 향해 돌출되는데 외부전극(130)의 최상단부 혹은 최외곽부보다 높게 돌출하도록 한다. 이는 연결재(140)를 다른 집전부재(200) 혹은 집류 집전판과의 연결을 돕는다.
스택 지지체(200)는 원통형상의 단위전지(100)에서 생성된 전기에너지를 집전하는 역할을 수행하는 동시에 인접해 있는 단위전지 사이에서 완충 역할도 수행하게 된다. 이를 위해서, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈은 하나 이상, 바람직하기로 3개의 스택 지지체(200)를 원통형상의 단위전지(100) 외주면 둘레를 따라서 배열한다.
본 발명에서, 스택 지지체(200)는 일측이 개방된 U자 형상으로 배치되는데, 연결재(140)를 배치한 단위전지(100) 외주면 부분을 제외하고 단위전지(100)의 하부면과 좌측면 그리고 우측면에서 직교되게 배열한다.
스택 지지체(200)는 도시된 바와 같이 판상(板狀)의 스프링 작용을 위해 한쌍의 집전 플레이트(210)와 탄성부(220)를 구비한다. 바람직하기로, 스택 지지체(200)는 평행하게 배열된 한쌍의 집전 플레이트(210) 사이에 탄성부(220)를 구비하는데, 탄성부(220)는 집전 플레이트(210)에 용접 등의 방식으로 위치고정될 수 있다.
집전 플레이트(210)는 편평한 판형상으로 이루어져 있으며 그 내부에 다수의 관통공(211)을 형성한다. 이에 국한되지 않고, 집전 플레이트(210)는 단위전지(100)의 외주면 형상과 동일하게 곡률로 만곡(도 1a 참조)되어 단위전지(100)의 외주면과 면접촉을 달성하여 단위전지(100)와 스택 지지체(200)의 집전 플레이트(210)의 접촉면적을 최대화시켜 집전효율을 극대화시킬 수도 있다.
집전 플레이트(210)는 다수의 관통공(211)을 구비하여, 외부전극(130)에 가스(산소 또는 수소)를 효율적으로 공급할 수 있다. 탄성부(220)는 V자 형상으로 절곡된 SUS계 합금으로 형성되어, 탄발력을 제공할 수 있도록 형성된다. 이에 국한되지 않고, 탄성부(220)는 다양한 유형, 코일 스프링 등으로 제작될 수도 있다.
본 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈의 외부에는 산화분위기가 조성되므로 스택 지지체(200)가 산화되는 것을 방지하기 위해서, 스택 지지체(200)를 SUS계 합금으로 제작하고 내산화 코팅하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 고체산화물 연료전지 모듈은 단위전지(100)와 스택 지지체(200) 사이에 금속 메쉬(150;도 2 참조)를 추가로 배열할 수도 있다. 금속 메쉬(150)는 전도성 세라믹 페이스트(paste)를 사용하여 단위전지(100)의 외주면 일부에만 부착한다. 구체적으로, 금속 메쉬(150)는 연결재(140)의 접촉을 미연에 방지할 수 있도록 외부전극(130)의 외주면 상에만 부착될 수 있도록 한다. 금속 메쉬는 단위전지(100)의 외부전극(130)과 스택 지지체(200)의 집전 플레이트(210) 간의 전기적 접촉을 균일하게 향상시킬 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 고체산화물 연료전지 모듈의 병렬 결합상태를 도시한 도면이다.
다수의 단위전지(100)는 도시된 바와 같이 스택 지지체(200)를 수단으로 하여 병렬로 집전될 수 있게 배열될 수 있다. 각각의 단위전지(100)는 U자형상으로 배치된 스택 지지체(200)의 내부공간에 수용되어 단위전지(100)의 하부면과 좌·우측면에서 스택 지지체(200)와 전기연통가능하게 병렬로 배열될 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈을 적층한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 수직방향으로 설치된 각각의 스택 지지체(200) 측면을 단위전지(100)와 접촉시켜 병렬로 배열하거나, 단위전지(100)를 적층시켜 연결재(140)와 스택 지지체(200)를 수직되게 접촉시켜 단위전지(100) 간의 직렬 및/또는 병렬 연결을 갖는 스택을 도시된 바와 같이 형성할 수 있다.
단위전지(100)와 스택 지지체(200)를 교대로 적층하는 경우에, U자형상으로 배열된 3개의 스택 지지체(200)는 단위전지(100)의 외부전극(130) 만을 선택적으로 접촉시키는 반면에, 다른 적층 높이에 배열된 스택 지지체(200)는 단위전지(100)의 연결재(140)에만 선택적으로 접촉될 수 있다. 따라서, U자형상으로 배열된 스택 지지체(200)에 수용되어 수평으로 배열된 단위전지(100)들은 상호간 병렬로 연결되고, 적층 높이를 달리하는 스택 지지체(200)에 수용되어 수직으로 배치된 단위전지(100)는 상호간 직렬로 연결된다. 최종적으로, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈은 적층되는 스택 지지체(200)와 단위전지(100)의 갯수를 조절하여 필요한 전압을 구현할 수 있다.
본 발명은 전술된 바와 같이 단위전지(100)와 스택 지지체(200)를 박스형상의 하우징(30) 내부에서 직렬 및/또는 병렬 연결방식으로 적층체로 형성하고 있다. 바람직하기로, 하우징(30)은 지지벽(31,32,33,34)으로 둘러싸여 있는 내부에 단위전지(100)와 스택 지지체(200)를 적층체로 보유지지할 수 있게 형성된다. 하우징(30)은 상부 지지벽(31) 바로 아래에 전류 집전판(311)을 배열한다. 이와 더불어서, 하우징(30)은 하부 지지벽(33) 바로 위에 다른 전류 집전판(313)을 배열한다.
전류 집전판(311)은 도시되었듯이 상부 지지벽(31)과 최상단에 배열된 단위전지(100)의 연결재(140)에만 선택적으로 접촉하여, 단위전지(100)의 내부전극(110;도 1 참조)에서 발생하는 전류를 전류 집전판(311)을 취합할 수 있도록 배열된다.
이와 유사하게, 전류 집전판(331)은 도시된 바와 같이 하부 지지벽(33)과 최하단에 배열된 스택 지지체(200)의 바닥면을 통해 수직으로 배열된 단위전지(100)를 직렬로 연결하여 단위전지(100)의 외부전극(130;도 1 참조)에서 발생하는 전류를 집전할 수 있도록 배열한다.
특별하기로, 절연판(312)이 상부 지지벽(31)과 이 상부 지지벽(31) 바로 아래에 배열된 전류 집전판(311) 그리고 상부 지지벽(31)과 지지벽(32,34) 간의 쇼트 방지를 위해서 추가로 구비된다. 유사하게, 절연판(332)은 하부 지지벽(33)과 이 하부 지지벽(33) 바로 위에 배열된 전류 집전판(331) 그리고 지지벽(33)과 지지벽(32,34) 간의 쇼트 방지를 위해서 추가로 배열한다.
선택가능하기로, 지지벽(32,34)의 내측면에는 각각의 절연판(342,322)을 배열하여 스택 지지체(200)로 집전된 전류를 전류 집전판(311,331)으로만 흐를 수 있도록 한다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈은 하우징(30)의 지지벽(32,34)에 다양한 체결방식, 예컨대 나사체결방식을 통해 스택 지지체(200)를 위치고정시켜 스택 지지체(200)에 단위전지(100)를 지지보유할 수 있게 한다. 즉, 단위전지(100)의 측면에 수직방향으로 부착될 스택 지지체(200)는 하우징(30)의 지지벽(32,34)에 나사체결되어 고정되되, 나사(35)의 죄임과 풀림을 통해 동일 높이에 배열된 스택 지지체(200)의 폭을 조정할 수 있다. (도 3의 하단부에 배열된 스택 지지체와 같이) 만약 나사(35)가 죄여지면, 스택 지지체(200)가 측방향으로 가압되어 탄성부(220)를 강제로 눌러 스택 지지체(200)의 폭(예컨대, 한쌍의 집전 플레이트 사이의 이격 거리)를 줄이게 할 수도 있다. 이는 외부응력에 대해서도 안정적인 스택 집전을 가능하게 할 뿐만 아니라 탄발력을 통해 상하 집전 및/또는 측면 집전시 접촉저항을 감소시킬 수 있다.
부가적으로 본 발명의 고체산화물 연료전지 모듈에 있어서, 단위전지(100)는 도 1에 도시되고 전술된 바와 같이 원통형상의 내부전극(110)과 전해질(120) 및 외부전극(130)의 순으로 적층되어 있으며, 내부전극(100)은 연료극으로 형성되고 외부전극(130)은 공기극으로 형성되어 있는 일례를 통해 설명하였다.
당해분야의 숙련자들에게 널리 알려져 있듯이, 단위전지는 공기극으로 형성된 내부전극, 전해질, 및 연료극으로 형성된 외부전극으로도 충분히 배열될 수 있음을 미리 밝혀두며, 이에 대한 상세한 설명과 도면은 배제할 것이다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 단위전지 110 : 내부전극
120 : 전해질 130 : 외부전극
200 : 스택 지지체 210 : 집전 플레이트
220 : 탄성부

Claims (16)

  1. 원통형 내부전극과 전해질 및 외부전극을 갖춘 다수의 단위전지와;
    나란하게 배열된 한쌍의 집전 플레이트와 상기 한쌍의 집전 플레이트 사이의 간극을 변경하는 탄성부를 구비한 스택 지지체;로 이루어져 있는 고체산화물 연료전지 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택 지지체는 상기 단위전지의 외부전극에 전기연통가능하게 배열되어 있는 고체산물 연료전지 모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위전지의 외부면과 스택 지지체 사이에 금속 메쉬를 추가로 배열하는 고체산화물 연료전지 모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 집전 플레이트는 다수의 관통공을 구비하는 고체산화물 연료전지 모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 집전 플레이트는 편평한 플레이트 형상으로 이루어져 있는 고체산화물 연료전지 모듈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 집전 플레이트는 상기 단위전지의 외부면과 동일한 곡률로 만곡되어 있는 고체산화물 연료전지 모듈.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위전지는 상기 외부전극과 전해질을 제거하여 상기 내부전극 일부를 외부로 노출된 노출 부위를 형성하고,
    상기 내부전극의 노출 부위 위에 연결재를 추가로 구비하는 고체산화물 연료전지 모듈.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 연결재는 상기 외부전극의 최외곽부 보다 높게 외부로 돌출되어 있는 고체산화물 연료전지 모듈.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 연결재는 상기 외부전극과 전기연통되지 않도록 이격되게 배열되는 고체산화물 연료전지 모듈.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택 지지체는 SUS계 합금으로 제작되고, 내산화 코팅으로 도포되는 고체산화물 연료전지 모듈.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지 모듈은 상기 단위전지를 수용할 수 있게 U자형상으로 배열된 상기 3개의 스택 지지체를 구비하는 고체산화물 연료전지 모듈.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택 지지체는 상기 단위전지에 노출부위를 제외한 하부면과 양 측면에 배열되는 고체산화물 연료전지 모듈.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위전지는 원통형상의 연료극과 상기 연료극의 외주면에 전해질, 공기극의 순으로 적층되어, 상기 연료극이 상기 내부전극을 형성하고 상기 공기극이 상기 외부전극을 형성하는 고체산화물 연료전지 모듈.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위전지는 원통형상의 공기극과 상기 공기극의 외주면에 전해질, 연료극의 순으로 적층되어, 상기 공기극이 상기 내부전극을 형성하고 상기 연료극이 상기 외부전극을 형성하는 고체산화물 연료전지 모듈.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지 모듈은 지지벽으로 둘러싸여 있는 하우징 내에서 적층되며, 상기 하우징의 상부 지지벽과 하부 지지벽에 각각의 전류 집전판을 구비하는 고체산화물 연료전지 모듈.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 하우징은 상기 지지벽의 내측면에 절연판을 추가로 구비하는 고체산화물 연료전지 모듈.
KR1020120119656A 2012-10-26 2012-10-26 고체산화물 연료전지 모듈 KR20140053568A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120119656A KR20140053568A (ko) 2012-10-26 2012-10-26 고체산화물 연료전지 모듈
US13/770,124 US20140120450A1 (en) 2012-10-26 2013-02-19 Solid oxide fuel cell module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120119656A KR20140053568A (ko) 2012-10-26 2012-10-26 고체산화물 연료전지 모듈

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20140053568A true KR20140053568A (ko) 2014-05-08

Family

ID=50547538

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120119656A KR20140053568A (ko) 2012-10-26 2012-10-26 고체산화물 연료전지 모듈

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20140120450A1 (ko)
KR (1) KR20140053568A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112740450A (zh) * 2018-09-21 2021-04-30 罗伯特·博世有限公司 用于燃料电池和/或电解器单元的电极支架装置

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10483579B2 (en) * 2015-06-09 2019-11-19 Nissan Motor Co., Ltd. Solid oxide fuel cell
JP6643173B2 (ja) * 2016-03-29 2020-02-12 京セラ株式会社 導電部材、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収納装置
KR20170126715A (ko) * 2016-05-10 2017-11-20 주식회사 미코 연료전지 스택 구조체

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4144592A (en) * 1978-02-24 1979-03-20 Larson Clinton F Knee guard
US6379831B1 (en) * 2000-08-02 2002-04-30 Siemens Westinghouse Power Corporation Expanded nickel screen electrical connection supports for solid oxide fuel cells
US8048587B2 (en) * 2002-11-27 2011-11-01 Delphi Technologies, Inc. Compliant current collector for fuel cell anode and cathode
US7157172B2 (en) * 2003-05-23 2007-01-02 Siemens Power Generation, Inc. Combination nickel foam expanded nickel screen electrical connection supports for solid oxide fuel cells
US20050136312A1 (en) * 2003-12-22 2005-06-23 General Electric Company Compliant fuel cell system
JP2010515222A (ja) * 2006-12-27 2010-05-06 ユーティーシー パワー コーポレイション 固体酸化物型燃料電池の非対称ダブテールインタコネクト
WO2009043818A1 (de) * 2007-09-28 2009-04-09 Siemens Aktiengesellschaft Hilfsmittel zur elektrischen kontaktierung von hochtemperatur-brennstoffzellen und verfahren zu dessen herstellung

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112740450A (zh) * 2018-09-21 2021-04-30 罗伯特·博世有限公司 用于燃料电池和/或电解器单元的电极支架装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20140120450A1 (en) 2014-05-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8304136B2 (en) Solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell bundle
US20100062302A1 (en) Metal support and solid oxide fuel cell including the same
KR20140053568A (ko) 고체산화물 연료전지 모듈
KR101409509B1 (ko) 고체산화물 연료전지용 집전체와 이를 적용한 고체산화물 연료전지
JP2014123544A (ja) 固体酸化物形燃料電池及びインターコネクタの製作方法
KR101769830B1 (ko) 고체산화물 연료전지 적층 구조물
JP5486743B2 (ja) 燃料電池セル及び燃料電池スタック若しくは燃料電池装置
KR101222836B1 (ko) 고체산화물 연료전지 모듈
US20110053045A1 (en) Solid oxide fuel cell and method of manufacturing the same
US20110053032A1 (en) Manifold for series connection on fuel cell
JP5373668B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池用単セルおよび固体酸化物形燃料電池
KR101109222B1 (ko) 일체형지지체를 구비한 연료전지 스택
KR101301354B1 (ko) 고체 산화물 연료 전지 및 고체 산화물 연료 전지 모듈
JP2018185984A (ja) 燃料電池ユニット
US8697307B2 (en) Solid oxide fuel cell stack
US20140178799A1 (en) Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
KR20140082300A (ko) 고체산화물 연료전지
KR101155375B1 (ko) 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체 및 이를 이용한 스택 구조
KR20140099701A (ko) 고체산화물 연료 전지
KR101454081B1 (ko) 고체산화물 연료전지
KR100531822B1 (ko) 연료전지의 공기 공급 장치
KR101397753B1 (ko) 고체산화물 연료 전지
JP2013211106A (ja) 燃料電池システム
KR101301396B1 (ko) 고체산화물 연료전지 및 이의 집전 방법
KR20130073370A (ko) 고체 산화물 연료전지 스택의 성능 최적화를 위한 지지체 구조의 설계 및 이에 의해서 설계된 새로운 구조의 고체 산화물 연료전지 스택

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid