KR20140099701A - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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KR20140099701A
KR20140099701A KR1020130012428A KR20130012428A KR20140099701A KR 20140099701 A KR20140099701 A KR 20140099701A KR 1020130012428 A KR1020130012428 A KR 1020130012428A KR 20130012428 A KR20130012428 A KR 20130012428A KR 20140099701 A KR20140099701 A KR 20140099701A
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정종호
김성한
윤종식
구본석
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삼성전기주식회사
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Abstract

The present invention relates to a solid oxide fuel cell capable of increasing the condensing efficiency of a fuel cell. For such, the solid oxide fuel cell module according to the present invention includes: at least one tube-shaped unit cell having a fuel electrode and an air electrode on both sides; a metal form connecting plate having grooves for accommodating a portion of the unit cells; and a housing arranged and coupled to four sides of the metal form connecting plate to pressurize the metal form connecting plate.

Description

고체산화물 연료 전지{SOLID OXIDE FUEL CELL}[0001] SOLID OXIDE FUEL CELL [0002]

본 발명은 고체산화물 연료 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료 전지의 집전 효율을 높일 수 있는 고체산화물 연료 전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly, to a solid oxide fuel cell capable of increasing a current collection efficiency of a fuel cell.

연료 전지란 연료(수소, LNG, LPG 등)와 공기의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 기존의 발전기술이 연료의 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 발전기 구동 과정을 취하는 것과 달리 연소 과정이나 구동 장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경문제를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이다. 이러한 연료 전지는 SOx와 NOx 등의 대기오염물질을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적어 무공해 발전이며, 저소음, 무진동 등의 장점이 있다.Fuel cells are devices that directly convert fuel (hydrogen, LNG, LPG, etc.) and chemical energy of air into electricity and heat by electrochemical reaction. Unlike the existing power generation technology that takes fuel combustion process, steam generation, turbine drive, and generator drive process, there is no combustion process or drive device, so it is a new concept of power generation technology that not only causes high efficiency but also causes environmental problems. Such a fuel cell emits almost no air pollutants such as SOx and NOx, and generates less carbon dioxide, which is pollution-free, and has advantages of low noise and no vibration.

연료 전지는 인산형 연료 전지(PAFC), 알칼리형 연료 전지(AFC), 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC), 직접메탄올 연료 전지(DMFC), 고체산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 등 다양한 종류가 있다. A variety of fuel cells are available, including phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cells (DMFC), solid oxide fuel cells There is a kind.

또한 고체산화물 연료 전지(Solid oxide fuel cell; SOFC)는 일반적으로 평판형 고체산화물 연료 전지와 관형 고체산화물 연료 전지로 분류되고 있다.In addition, solid oxide fuel cells (SOFCs) are generally classified as flat solid oxide fuel cells and tubular solid oxide fuel cells.

이 중 관형 고체산화물 연료 전지는 일반적으로 공기극 지지체의 외부에 전해질, 연료극 순으로 적층되고, 다른 단위전지와 연결을 위한 연결재가 공기극 지지체 상부에 형성된다. 관형 고체산화물 연료 전지는 평판형 고체산화물 연료 전지와 달리 별도의 가스밀봉이 필요 없어 장기 내구성이 좋고, 열충격에 안정적이다.The tubular solid oxide fuel cell is generally stacked in the order of an electrolyte and a fuel electrode on the outside of the air electrode support, and a connecting member for connection with other unit cells is formed on the air electrode support. Unlike the flat solid oxide fuel cells, the tubular solid oxide fuel cell has long-term durability and is stable against thermal shock because no separate gas sealing is required.

관형 고체산화물 연료 전지는 평판형에 비하여 스택 자체의 전력밀도는 다소 떨어지나 시스템 전체의 전력밀도는 비슷한 것으로 평가되고 있으며, 스택을 구성하는 단위셀들의 밀봉이 용이하고, 열응력에 대한 저항성이 강한 동시에 스택의 기계적 강도가 높아 대면적 제조가 가능한 진보된 기술로서, 이에 대한 기술 연구가 활발히 진행되고 있다.Although the power density of a stacked solid oxide fuel cell is somewhat lower than that of a flat plate type, the power density of the entire system is estimated to be similar. The unit cells constituting the stack are easily sealed and resistant to thermal stress As a result of the advanced technology that can manufacture a large area due to a high mechanical strength of the stack, technical researches thereof have been actively conducted.

한편, 관형 고체산화물 연료 전지는 공기극을 연료 전지의 지지체로 사용하는 공기극 지지체식 연료 전지와 연료극을 지지체로 사용하는 연료극 지지체식 연료 전지의 두 종류로 구분되는데, 공기극 지지체식 연료 전지와 연료극 지지체식 연료 전지 중에서는 연료극 지지체식이 진보된 형태로서, 현재의 고체산화물 연료 전지는 대부분 연료극 지지체식을 중심으로 하여 연구 개발이 진행되고 있다. Meanwhile, the tubular solid oxide fuel cell is divided into two types, that is, an air electrode support type fuel cell using an air electrode as a support for a fuel cell and a fuel electrode supporting type fuel cell using a fuel electrode as a support. Among the fuel cells, the fuel electrode support system is an advanced type, and most of the solid oxide fuel cells are currently under research and development centered on the fuel electrode support system.

상기와 같은 연료극 지지체식 관형 고체산화물 연료 전지는, 원통형, 평관형 등 다양한 단면 형상을 갖는 관체 구조로서, 내측으로부터 연료극, 전해질 및 공기극이 순차적으로 적층되어 있다. 또한, 연료 전지에서 발생된 전기는 외부회로를 통해 흐르면서 일을 하게 되는데, 연료극의 내주면 상과 공기극의 외주면 상에는 연료 전지에 서 생성된 전기를 외부 장치나 회로에 전기를 공급하기 위한 각각의 집전체가 설치되어 있다. The fuel-electrode-supported tubular solid oxide fuel cell as described above is a tubular structure having various cross-sectional shapes such as a cylindrical shape and a flat tubular shape, and a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are sequentially laminated from the inside. In addition, electricity generated in the fuel cell works while flowing through the external circuit. On the inner circumferential surface of the fuel electrode and the outer circumferential surface of the air electrode, electricity generated in the fuel cell is supplied to an external device or circuit, Respectively.

이러한 종래의 관형 고체산화물 연료 전지가 한국공개특허공보 제2012-0026734호 등에 개시되어 있다. Such a conventional tubular solid oxide fuel cell is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2002-0026734.

상기한 문헌을 참조하면, 다수의 단위전지가 적층된 고체산화물 연료전지 모듈이 개시되어 있다. 여기서, 각각의 단위전지들은 금속폼 연결판을 통해 서로 전기적으로 연결되도록 구성된다.Referring to the above document, a solid oxide fuel cell module in which a plurality of unit cells are stacked is disclosed. Here, each unit cell is configured to be electrically connected to each other through a metal foam connecting plate.

그런데 이러한 종래의 경우, 금속폼과 단위전지 사이의 접촉이 불량하여 저항이 증가하는 문제가 발생되고 있다. 또한 모듈의 중심으로 갈수록 공기의 흐름이 원활하기 이루어지지 않으며, 이로 인해 모듈의 전체적인 성능이 저하되는 문제가 발생되고 있다.
However, in such a conventional case, there is a problem that the contact between the metal foam and the unit cell is poor and the resistance increases. Also, the flow of air does not smoothly proceed toward the center of the module, thereby causing a problem that the overall performance of the module is deteriorated.

한국공개특허공보 제2012-0026734호Korean Patent Publication No. 2012-0026734

본 발명의 목적은 금속폼과 단위전지 사이의 접촉 신뢰성을 높일 수 있는 고체산화물 연료전지 모듈을 제공하는 데에 있다. It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell module capable of enhancing the contact reliability between a metal foam and a unit cell.

또한 본 발명의 다른 목적은 공기의 흐름이 원활하게 이루어질 수 있는 고체산화물 연료전지 모듈을 제공하는 데에 있다.Another object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell module in which air can flow smoothly.

본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈은, 관형으로 형성되며 전해질의 양면에 연료극과 공기극이 배치되어 형성되는 적어도 하나의 단위전지; 일정한 두께를 가지며, 상기 단위전지의 일부분이 수용되는 홈을 갖는 금속폼 연결판; 및 상기 금속폼 연결판의 사방에 배치되어 상기 금속폼 연결판을 가압하도록 결합되는 하우징;을 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell module comprising: at least one unit cell formed in a tubular shape and having a fuel electrode and an air electrode disposed on both sides of the electrolyte; A metal foam connection plate having a predetermined thickness and having a groove in which a part of the unit cell is received; And a housing disposed on all sides of the metal foam connection plate and coupled to press the metal foam connection plate.

본 실시예에 있어서 상기 금속폼 연결판은, 다수개가 상기 다수의 단위전지와 교대로 적층될 수 있다. In this embodiment, a plurality of the metal foam connecting plates may be alternately stacked with the plurality of unit cells.

본 실시예에 있어서 상기 하우징은, 상기 단위전지가 수용된 상기 금속폼 연결판의 양단에 각각 배치되는 단부 판재; 및 상기 금속폼 연결판의 양 측면에 각각 배치되는 측부 판재;를 포함할 수 있다.In the present embodiment, the housing includes: an end plate disposed on both ends of the metal foam connecting plate in which the unit cells are housed; And side plate members disposed on both side surfaces of the metal foam connecting plate, respectively.

본 실시예에 있어서, 상기 측부 판재를 상기 금속폼 연결판 측으로 가압하는 가압 부재를 더 포함할 수 있다. In this embodiment, it may further include a pressing member for pressing the side plate member toward the metal foaming plate.

본 실시예에 있어서 상기 가압 부재는, 상기 단부 판재에 체결되어 고정되는 지지판; 및 상기 지지판에 나사 결합되어 상기 측부 판재를 가압하는 가압 나사;를 포함할 수 있다.In the present embodiment, the pressing member includes: a support plate fastened to and fixed to the end plate member; And a pressing screw which is screwed to the support plate to press the side plate member.

본 실시예에 있어서 상기 단부 판재들을 상호 연결하며 고정하는 고정 부재를 더 포함하며, 상기 고정 부재는 상기 단부 판재들을 관통하는 샤프트; 및 상기 샤프트의 양단에 체결되는 너트;를 포함할 수 있다. The fixing member further includes a shaft passing through the end plates, and the fixing member includes: a shaft passing through the end plates; And a nut fastened to both ends of the shaft.

또한 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈은, 관형으로 형성되며 전해질의 양면에 연료극과 공기극이 배치되어 형성되는 적어도 하나의 단위전지; 상기 다수의 단위전지와 교대로 적층되는 금속폼 연결판; 및 상기 금속폼 연결판의 양 측에 배치되어 상기 금속폼 연결판을 가압하는 측면판재;를 포함할 수 있다.
Also, the solid oxide fuel cell module according to an embodiment of the present invention includes: at least one unit cell formed in a tubular shape and having a fuel electrode and an air electrode disposed on both sides of the electrolyte; A metal foam connection plate alternately stacked with the plurality of unit cells; And a side plate disposed on both sides of the metal foam connection plate and pressing the metal foam connection plate.

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈은 금속폼 연결판을 채용하여 전류를 집전함으로써, 종래 기술과 달리 복잡한 와이어링(wiring) 공정을 수행할 필요가 없어 제조공정을 단순화할 수 있고 제조비용을 절약할 수 있는 효과가 있다. The solid oxide fuel cell module according to the present invention adopts a metal foam connecting plate to collect current, thereby eliminating the complicated wiring process unlike the prior art, simplifying the manufacturing process and saving manufacturing cost There is an effect that can be done.

또한 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈은 하우징을 통해 공기의 흐름을 특정 방향으로 제한한다. 이에 공기가 일정한 방향을 따라 금속폼 연결판 전체에 고르게 흐르게 되므로, 공기의 흐름이 개선되어 고체산화물 연료전지 모듈의 집진 효율이 향상되는 효과가 있다. In addition, the solid oxide fuel cell module according to the present invention restricts the flow of air through the housing in a specific direction. Accordingly, since the air flows uniformly throughout the metal foam connecting plate along a certain direction, the flow of air is improved and the dust collecting efficiency of the solid oxide fuel cell module is improved.

또한 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈은 가압 부재에 의해 하우징의 측부 판재가 가압된다. 측부 판재가 가압됨에 따라, 측부 판재는 금속폼 연결판을 가압하게 되고, 이에 가압된 금속폼 연결판은 단위전지와의 접촉면에 압력이 집중되므로 상호 간에 보다 밀접하게 접촉될 수 있다.Further, the side plate member of the housing is pressed by the pressing member in the solid oxide fuel cell module according to the present invention. As the side plate member is pressed, the side plate member presses the metal foam connecting plate, so that the pressurized metal foam connecting plate can be more closely contacted with each other since the pressure is concentrated on the contact surface with the unit cell.

따라서, 단위전지와 금속폼 연결판 간의 접촉 저항을 줄일 수 있으므로 집전 효율을 높일 수 있다.
Therefore, the contact resistance between the unit cell and the metal foam connecting plate can be reduced, and the current collecting efficiency can be increased.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료 전지를 개략적으로 나타내는 사시도.
도 2는 도 1의 부분 분해사시도.
도 3은 도 1의 A 방향에 따른 측면도.
도 4는 도 1의 B 방향에 따른 평면도.
도 5는 도 1의 C-C에 따른 단면도. 1 is a perspective view schematically showing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a partially exploded perspective view of FIG. 1; FIG.
3 is a side view along the direction A of Fig.
Fig. 4 is a plan view taken along the direction B of Fig. 1; Fig.
5 is a cross-sectional view along CC in Fig.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 더하여 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Further, the embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art. In addition, the shape and size of elements in the figures may be exaggerated for clarity.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료 전지를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 부분 분해사시도이며, 도 3은 도 1의 A 방향에 따른 측면도이다. 또한 도 4는 도 1의 B 방향에 따른 평면도이고, 도 5는 도 1의 C-C에 따른 단면도이다. FIG. 1 is a perspective view schematically showing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a partially exploded perspective view of FIG. 1, and FIG. 3 is a side view along A direction of FIG. 4 is a plan view taken along line B of Fig. 1, and Fig. 5 is a cross-sectional view taken along line C-C of Fig.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈(100)은 다수의 단위전지(110)들, 금속폼 연결판(120), 하우징(150) 및 가압부(170)를 포함할 수 있다. 1 to 5, the solid oxide fuel cell module 100 according to the present embodiment includes a plurality of unit cells 110, a metal foam connecting plate 120, a housing 150, and a pressing portion 170, . ≪ / RTI >

단위전지(110)은 전기에너지를 생산하는 기본적인 단위로, 도 5에 도시된 바와 같이 관형으로 형성된 연료극 지지체(111)의 외주면에 전해질(113), 공기극(115) 순으로 적층되어 형성될 수 있다. The unit cell 110 is a basic unit for producing electric energy and may be formed by stacking an electrolyte 113 and an air electrode 115 on the outer circumferential surface of a fuel electrode support 111 formed in a tubular shape as shown in FIG. .

연료극 지지체(111)는 외주면에 적층된 전해질(113), 공기극(115)을 지지하는 역할을 수행한다. 따라서, 연료극 지지체(111)는 지지력을 확보하기 위해서 전해질(113), 공기극(115)보다 상대적으로 두꺼운 것이 바람직하고, 압출공정 등을 통해서 형성할 수 있다. 또한, 연료극 지지체(111)는 관형으로 형성되어 매니폴드로부터 연료(수소)를 공급받아 전극반응을 통해서 음전류를 생성한다. 여기서, 연료극 지지체(111)는 산화니켈(NiO)과 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)을 이용하여 형성하는데, 산화니켈이 수소에 의해서 금속니켈로 환원되어 전자 전도성을 발휘하고, 이트리아 안정화 지르코니아는 산화물로서 이온 전도성을 발휘한다. 이때, 연료극 지지체(111)를 형성하는 산화니켈과 이트리아 안정화 지르코니아의 무게비는 예를 들어 50:50 내지 40:60일 수 있다. The fuel electrode support 111 serves to support the electrolyte 113 and the air electrode 115 stacked on the outer circumferential surface. Therefore, the fuel electrode support 111 is preferably relatively thicker than the electrolyte 113 and the air electrode 115 in order to secure a supporting force, and can be formed through an extrusion process or the like. Also, the fuel electrode support 111 is formed in a tubular shape, and receives fuel (hydrogen) from the manifold and generates a negative current through an electrode reaction. Here, the anode support 111 is formed using nickel oxide (NiO) and yttria-stabilized zirconia (YSZ). Nickel oxide is reduced to metal nickel by hydrogen to exhibit electron conductivity, and yttria- Thereby exhibiting ion conductivity. At this time, the weight ratio of nickel oxide and yttria-stabilized zirconia forming the anode support 111 may be, for example, 50:50 to 40:60.

전해질(113)은 공기극(115)에서 발생한 산소이온을 연료극 지지체(111)로 전달하는 역할을 수행하는 것으로, 연료극 지지체(111)의 외주면에 적층되어 형성된다. 여기서, 전해질(113)은 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 플린팅법(screen printing), 닥터 블레이드법(doctor blade) 등의 습식법으로 코팅한 후 1300 ℃ 내지 1500 ℃ 로 소결하여 형성할 수 있다. The electrolyte 113 serves to transfer oxygen ions generated in the air electrode 115 to the fuel electrode support 111 and is formed on the outer circumferential surface of the fuel electrode support 111. Here, the electrolyte 113 may be formed by a dry method such as a plasma spray method, an electrochemical deposition method, a sputtering method, an ion beam method or an ion implantation method, a tape casting method, a spray coating method, A dip coating method, a screen printing method, a doctor blade method and the like, and then sintering at 1300 ° C to 1500 ° C.

이때, 전해질(113)은 이트리아 안정화 지르코니아 또는 ScSZ(Scandium Stabilized Zirconia), GDC, LDC 등을 이용하여 형성하는데, 이트리아 안정화 지르코니아는 4가 지르코늄 이온의 일부가 3가의 이트리움 이온으로 대치되어 있으므로 이트리움 이온 2개당 1개의 산소이온 구멍이 내부에 발생하고, 고온에서 상기 구멍을 통해서 산소이온이 이동하게 된다. At this time, the electrolyte 113 is formed using yttria-stabilized zirconia or ScSZ (Scandium Stabilized Zirconia), GDC, LDC or the like. In the yttria-stabilized zirconia, a part of the tetravalent zirconium ion is replaced by a trivalent dithium ion One oxygen ion hole per two of these ions is generated inside, and oxygen ions move through the hole at a high temperature.

공기극(115)은 산화분위기가 조성된 외부로부터 공기(산소)를 공급받아 전극반응을 통해서 양전류를 생성하는 것으로, 전해질(113)의 외주면에 적층되어 형성된다. 여기서, 공기극(115)은 전자 전도성이 높은 란탄스트론튬 망가나이트((La0 .84 Sr0.16) MnO3) 등을 전해질(113)과 유사한 건식법 또는 습식법으로 코팅한 후 1200 ℃ 내지 1300 ℃ 로 소결하여 형성할 수 있다. The air electrode 115 is formed by being laminated on the outer circumferential surface of the electrolyte 113 by supplying air (oxygen) from the outside with an oxidizing atmosphere and generating a positive current through an electrode reaction. Here, the air electrode 115 and electron conductivity is high lanthanum strontium manganite sintered nitro, ((La 0 .84 Sr 0.16) MnO 3) an electrolyte was coated to a dry method or a wet method similar to the (113) 1200 ℃ to 1300 ℃ etc. .

공기극(115)이 이와 같이 구성되는 경우, 공기극(115)에서는 공기(산소)가 란탄스트론튬 망가나이트의 촉매작용에 의해서 산소이온으로 전환되어 전해질(113)을 통해서 연료극 지지체(111)에 전달될 수 있다. Air (oxygen) is converted into oxygen ions by the catalytic action of lanthanum strontium manganite in the air electrode 115 and can be transferred to the fuel electrode support 111 through the electrolyte 113 when the air electrode 115 is configured in this way have.

또한, 연료극 지지체(111)에서 생성한 음전류를 단위전지(110) 외부로 전달하기 위해서 연결재(130)를 구비할 수 있다. The connection member 130 may be provided to transmit the negative current generated by the fuel electrode support 111 to the outside of the unit cell 110.

연결재(130)는 연료극 지지체(111)의 외부면에 배치되어 연료극 지지체(111)와 전기적으로 연결된다. 연결재(130)가 공기극(115)과 접촉할 경우 단락(short)이 발생한다. 따라서, 연결재(130)와 공기극(115)은 일정 간격 이격되도록 배치되는 것이 바람직하다.The connecting member 130 is disposed on the outer surface of the fuel electrode support 111 and is electrically connected to the fuel electrode support 111. When the connecting member 130 contacts the air electrode 115, a short occurs. Therefore, it is preferable that the coupling member 130 and the air electrode 115 are spaced apart from each other by a predetermined distance.

또한 연결재(130)의 배치를 위해, 연료극 지지체(111)의 외주면은 일부가 노출되도록 형성된다. 즉, 공기극(115)의 일부가 제거된 형상으로 형성될 수 있다. In order to dispose the coupling member 130, the outer peripheral surface of the fuel electrode support 111 is partially exposed. That is, a part of the air electrode 115 may be removed.

이러한 연결재(130)는 연료극 지지체(111)의 집전을 위한 부재이므로 전기전도성을 갖추어야 함은 물론이다. It is needless to say that such a coupling member 130 is a member for collecting the fuel electrode support 111 and therefore must have electrical conductivity.

연결재(130)를 형성하는 공정을 살펴보면, 우선 금속폼 연결판(120)으로부터 돌출된 전해질(113)과 공기극(115)의 외주면 일측을 제거하여 연료극 지지체(111)의 외주면 일측(116)을 노출시킨다. 이후, 노출된 연료극 지지체(111)의 외주면에 연결재(130)를 형성한다.The electrolyte 113 protruding from the metal foil connecting plate 120 and one side of the outer circumferential surface of the air electrode 115 are removed to expose one side 116 of the outer circumferential surface of the fuel electrode support 111 . Thereafter, the coupling member 130 is formed on the outer circumferential surface of the exposed anode support 111.

이때, 연결재(130)는 단위전지(110)의 외부면보다 외부로 더 돌출되도록 형성될 수 있다. 이는 연결재(130)를 금속폼 연결판(120)의 타면(123)과 연결하기 위한 것으로 상세한 설명은 후술하도록 한다.
At this time, the connection member 130 may be formed so as to protrude further from the outer surface than the outer surface of the unit cell 110. This is for connecting the connecting member 130 to the other surface 123 of the metal foam connecting plate 120, and a detailed description will be given later.

금속폼 연결판(120)은 전술한 단위전지(110)에서 생성한 전기에너지를 집전하는 역할을 수행하는 것으로, 일정한 두께를 갖는 평판형으로 형성될 수 있다. 여기서, 금속폼 연결판(120)에는 일면에 두께방향으로 홈(121)이 형성되며, 이러한 홈(121)에 단위전지(110)가 수용되도록 결합될 수 있다. The metal foam connecting plate 120 serves to collect the electrical energy generated by the unit cell 110 and may be formed into a flat plate having a predetermined thickness. Here, the metal foam connecting plate 120 is formed with grooves 121 in the thickness direction on one surface thereof, and the unit cells 110 may be coupled to the grooves 121.

이때, 금속폼 연결판(120)은 전기전도성을 가지므로, 단위전지(110)에서 생성된 전기에너지를 병렬로 집전할 수 있는 것이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 하나의 금속폼 연결판(120)에 2개의 단위전지(110)가 수용되는 경우를 도시하고 있지만, 이는 예시적인 것으로 2개 이상 또는 이하의 단위전지(110)를 수용할 수 있도록 구성하는 것도 가능하다. At this time, since the metal foam connecting plate 120 has electrical conductivity, electric energy generated in the unit cell 110 can be collected in parallel. 4 and 5, two unit cells 110 are accommodated in one metal foam connecting plate 120. However, the number of the unit cells 110 is not limited to two or more, As shown in FIG.

한편, 홈(121)의 내벽은 단위전지(110)의 외주면에 대응하도록 곡면으로 형성하여 금속폼 연결판(120)과 단위전지(110)의 접촉면적을 최대한 넓힘으로써, 집전효율을 극대화할 수 있다.On the other hand, the inner wall of the groove 121 is curved to correspond to the outer circumferential surface of the unit cell 110 to maximize the contact area between the metal foil connecting plate 120 and the unit cell 110, have.

또한, 금속폼 연결판(120)은 다공성으로 형성되므로, 단위전지(110)를 금속폼 연결판(120)의 홈(121)에 수용하더라도 공기극(115)에 공기(산소)가 효율적으로 공급될 수 있다. Even if the unit cell 110 is accommodated in the groove 121 of the metal foam connecting plate 120, air (oxygen) is efficiently supplied to the air electrode 115 because the metal foam connecting plate 120 is formed to be porous. .

금속폼 연결판(120)은 전술한 전기전도성과 다공성을 구비해야 하므로, 메탈폼(metal foam), 플레이트 또는 메탈파이버(metal fiber) 등으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The metal foam connecting plate 120 may be formed of a metal foam, a plate, a metal fiber or the like, but is not limited thereto, since the metal foam connecting plate 120 must have the above-described electrical conductivity and porosity.

한편, 본 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈(100)의 외부에는 산화분위기가 조성되므로 금속폼 연결판(120)이 산화되는 것을 방지하기 위해 금속폼 연결판(120)의 외부면에는 내산화 코팅층이 형성될 수 있다. Since the oxidizing atmosphere is formed outside the solid oxide fuel cell module 100 according to the present embodiment, in order to prevent the metal foam connecting plate 120 from being oxidized, the outer surface of the metal foam connecting plate 120 is subjected to oxidation resistance A coating layer may be formed.

이러한 금속폼 연결판(120)은 1개만을 이용하여 다수의 단위전지(110)를 병렬로 집전할 수 있을 뿐만 아니라, 도 5에 도시된 바와 같이 2개 이상의 금속폼 연결판(120)을 이용하여 금속폼 연결판(120)과 단위전지(110)를 교대로 적층할 수 있다. The number of the metal foam connecting plates 120 can be increased by using only one metal foam connecting plate 120, and more than two metal foam connecting plates 120 can be used as shown in FIG. So that the metal foam connecting plate 120 and the unit cell 110 can be alternately stacked.

금속폼 연결판(120)과 단위전지(110)를 교대로 적층하는 경우, 금속폼 연결판(120)의 홈(121)은 단위전지(110)의 공기극(115)과 접촉하고, 금속폼 연결판(120)의 타면(123)은 단위전지(110)의 연결재(130)와 접촉하도록 적층된다. When the metal foam connecting plate 120 and the unit cells 110 are alternately stacked, the grooves 121 of the metal foam connecting plate 120 are in contact with the air electrode 115 of the unit cell 110, The other surface 123 of the plate 120 is stacked so as to be in contact with the connecting member 130 of the unit cell 110.

따라서, 하나의 금속폼 연결판(120)에 수용되어 수평으로 배치된 단위전지(110)들은 상호간 병렬로 연결되고, 서로 다른 금속폼 연결판(120)에 수용되어 수직으로 배치된 단위전지(110)들은 상호간 직렬로 연결될 수 있다. Therefore, the unit cells 110 housed in one metal foam connecting plate 120 and disposed horizontally are connected to each other in parallel, and are housed in different metal foam connecting plates 120, ) May be connected in series with each other.

결국, 본 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈(100)은 적층되는 금속폼 연결판(120)의 수를 조절하여 필요한 전압을 구현할 수 있다.As a result, the solid oxide fuel cell module 100 according to the present embodiment can realize the required voltage by adjusting the number of the metal foam connecting plates 120 to be stacked.

한편??적층된 금속폼 연결판(120)의 양단에는 평판형의 집전판(128)이 배치될 수 있다.
On the other hand, a plate-like current collecting plate 128 may be disposed on both ends of the laminated metal foam connecting plate 120.

하우징(150)은 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 편평한 판들로 구성될 수 있으며, 적층된 금속폼 연결판(120) 전체를 둘러 싸는 형태로 배치될 수 있다. The housing 150 may be formed of a plurality of flat plates as shown in FIG. 2, and may be disposed so as to surround the entire metal foam connecting plate 120 stacked.

구체적으로, 본 실시예에 따른 하우징(150)은 적층된 금속폼 연결판(120)의 양단, 즉 집전판(128)의 외측에 배치되는 단부 판재(152)와, 적층된 금속폼 연결판(120)의 측면에 배치되는 측부 판재(154)를 포함할 수 있다. Specifically, the housing 150 according to the present embodiment includes an end plate 152 disposed at both ends of the laminated metal foam connecting plate 120, that is, outside the current collecting plate 128, and a laminated metal foam connecting plate 120 disposed on the sides of the side plate 154. [

단부 판재(152)들은 금속폼 연결판(120)의 양단 전체를 덮는 크기로 구성될 수 있다. 또한 2개의 단부 판재(152)들은 별도의 고정 부재(160)에 의해 상호 고정될 수 있다. The end plate members 152 may be sized to cover both ends of the metal foam connecting plate 120. Further, the two end plate members 152 may be fixed to each other by a separate fixing member 160.

본 실시예에서는 너트(162)와 샤프트(164)에 의해 2개의 단부 판재(152)가 금속폼 연결판(120)을 가압하는 형태로 상호 고정되는 경우를 예로 들고 있다. 즉 샤프트(164)가 2개의 단부 판재(152)를 관통하도록 결합되고, 너트(164)는 샤프트(164)의 양단에 체결되어 단부 판재(152)의 움직임을 고정한다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며 단부 판재(152)를 견고하게 고정시킬 수만 있다면 다양한 변형이 가능하다.In this embodiment, the two end plate members 152 are fixed to each other by the nut 162 and the shaft 164 so as to press the metal foaming plate 120 together. That is, the shaft 164 is coupled to penetrate the two end plate members 152, and the nut 164 is fastened to both ends of the shaft 164 to fix the movement of the end plate member 152. However, the configuration of the present invention is not limited thereto, and various modifications are possible as far as the end plate 152 is firmly fixed.

측부 판재들(154)은 금속폼 연결판(120)의 측면 전체를 덮는 크기로 구성될 수 있다. 또한 측부 판재들(154)은 후술되는 가압 부재(170)에 의해 금속폼 연결판(120)을 가압할 수 있도록 단부 판재들(152) 의 사이에 삽입되는 형태로 배치될 수 있다. The side plates 154 may be sized to cover the entire side surface of the metal foam connecting plate 120. The side plates 154 may be disposed in such a manner that they are inserted between the end plates 152 so as to press the metal foaming plate 120 by a pressing member 170 described later.

이러한 단부 판재(152)와 측부 판재(154)는 강성을 가지며, 고정 부재(160)나 가압 부재(170)에 의해 쉽게 변형되거나 파손되지 않는 범위 내에서 다양한 재질이 이용될 수 있다. 예를 들어 단부 판재(152)와 측부 판재(154)는 금속 판재로 이루어질 수 있으며, 수지 재질의 판재나 나무 재질로 형성하는 등 필요에 따라 다양한 응용이 가능하다. The end plate member 152 and the side plate member 154 are rigid and various materials can be used within a range that the end plate member 152 and the side plate member 154 are not easily deformed or damaged by the fixing member 160 or the pressing member 170. For example, the end plate member 152 and the side plate member 154 may be made of a metal plate, and may be formed of a resin material or a wood material.

이와 같이 구성되는 하우징(150)은 하단이 전술한 단위전지(110)의 하단면보다 하측으로 더 돌출되는 형태로 단위전지(110) 및 금속폼 연결판(120)에 결합될 수 있다. The housing 150 may be coupled to the unit cell 110 and the metal foaming plate 120 such that the lower end of the housing 150 protrudes further downward than the lower end of the unit cell 110.

이에 따라, 단위전지(110)는 하우징(150)에 의해 하단 부분이 바닥에 접하지 않고 바닥면으로부터 일정 거리 이격된 상태를 유지하게 된다. 이에 하우징(150) 내부로 공기의 흐름이 원활하게 이루어질 수 있다.
Accordingly, the lower end portion of the unit cell 110 is kept in a state of being separated from the bottom surface by a certain distance by the housing 150 without touching the bottom. So that air can smoothly flow into the housing 150.

가압 부재(170)는 전술한 하우징(150)의 측부 판재(154)를 금속폼 연결판(120) 측으로 가압하기 위해 구비된다. 이를 위해 본 실시예에 따른 가압 부재(170)는 지지판(172)과 가압 나사(176)를 포함할 수 있다. The pressing member 170 is provided to press the side plate member 154 of the housing 150 described above toward the metal foam connecting plate 120 side. To this end, the pressing member 170 according to the present embodiment may include a supporting plate 172 and a pressing screw 176.

지지판(172)은 일정한 폭을 갖는 판 형태로, 양단이 단부 판재(152)에 체결되어 고정된다. 이를 위해 단부 판재(152)는 적어도 하나의 고정부(153)가 형성될 수 있다. 여기서 고정부(153)는 관통 구멍 형태나 홈의 형태로 형성될 수 잇다. Both ends of the support plate 172 are fastened and fixed to the end plate members 152 in the form of plates having a constant width. To this end, at least one fixing part 153 may be formed on the end plate 152. The fixing portion 153 may be formed in the form of a through hole or a groove.

또한 지지판(172)의 양단에는 상기한 고정부(153)에 삽입되거나 끼워지며 고정되는 적어도 하나의 삽입 돌기(173)가 형성될 수 있다.At least one insertion protrusion 173 inserted into or fixed to the fixing portion 153 may be formed at both ends of the support plate 172.

따라서 지지판(172)은 삽입 돌기(173)가 단부 판재(152)의 고정부(153)에 끼워지며 단부 판재(152)에 고정될 수 있다. The support plate 172 can be fixed to the end plate member 152 while the insertion protrusion 173 is fitted in the fixing portion 153 of the end plate member 152. [

이러한 지지판(172)은 측부 판재(154)의 외측에 배치되도록 단부 판재(152)에 결합된다. The support plate 172 is coupled to the end plate member 152 so as to be disposed outside the side plate member 154.

또한 지지판(172)의 내부에는 후술되는 가압 나사(176)가 결합되는 적어도 하나의 끼움 구멍(174)이 형성될 수 있다. Also, at least one fitting hole 174 to which a pressing screw 176 to be described later is coupled may be formed inside the support plate 172.

가압 나사(176)는 지지판(172)의 끼움 구멍(174)에 나사 결합될 수 있다. 본 실시예에 따른 가압 나사(176)는 나사산이 형성된 일반적인 나사가 이용될 수 있다. 따라서 가압 나사(176)를 회전시키며 전진시키면 가압 나사(176)는 지지판(172)을 지지하며 전진하여 끝단이 측부 판재(154)와 접촉하게 되며, 계속해서 전진시키면 측부 판재(154)를 금속폼 연결판(120) 측으로 밀어내며 금속폼 연결판(120)을 가압하게 된다. The pressing screw 176 can be screwed into the fitting hole 174 of the support plate 172. The pressing screw 176 according to the present embodiment may be a general screw having a thread. When the pressing screw 176 is rotated and advanced, the pressing screw 176 supports the supporting plate 172 and moves forward to come into contact with the side plate member 154. When the side plate member 154 is continuously advanced, And pushes the metal foam connecting plate 120 toward the connecting plate 120 side.

이러한 가압 부재(170)는 단위전지(110)들의 길이에 따라 다양한 개수가 이용될 수 있다. 또한 금속폼 연결판(120)이 적층되는 수에 따라 다양한 개수의 가압 나사(176)가 이용될 수 있다.
The pressing members 170 may be of various numbers depending on the lengths of the unit cells 110. Also, depending on the number of metal foam connecting plates 120 to be laminated, various numbers of pressing screws 176 can be used.

이상과 같이 구성되는 본 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈은 금속폼 연결판을 채용하여 전류를 집전함으로써, 종래 기술과 달리 복잡한 와이어링(wiring) 공정을 수행할 필요가 없어 제조공정을 단순화할 수 있고 제조비용을 절약할 수 있는 효과가 있다. The solid oxide fuel cell module according to the present embodiment configured as described above uses a metal foam connecting plate to collect electric current, thereby eliminating the complicated wiring process unlike the prior art, thereby simplifying the manufacturing process And the manufacturing cost can be saved.

또한 하우징을 통해 금속폼 연결판의 사방을 외부와 차단한다. 따라서 공기의 흐름을 고체산화물 연료전지 모듈의 상하 방향(도 1의 Z 방향)으로 한정한다. Further, the metal foam connecting plate is blocked from the outside through the housing. Therefore, the flow of air is limited in the vertical direction (Z direction in Fig. 1) of the solid oxide fuel cell module.

하우징이 없는 경우, 공기의 흐름이 자유롭기 때문에 금속폼 연결판의 외측에는 공기의 흐름이 원활하게 이루어질 수 있다. 그러나 금속폼 연결판이 적층되는 경우, 적층된 금속폼 연결판의 중심부에서는 공기의 흐름이 원활하게 이루어지지 않아 오히려 집전 효율이 저하될 수 있다. In the absence of the housing, the flow of air is free and air can flow smoothly outside the metal foam connecting plate. However, when the metal foam connecting plates are stacked, the flow of air is not smooth at the center of the stacked metal foam connecting plates, so that the current collection efficiency may be lowered.

이러한 문제를 해소하기 위해, 본 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈은 하우징을 통해 공기의 흐름을 특정 방향으로 제한한다. 이에 공기가 일정한 방향(즉 Z 방향)을 따라 금속폼 연결판 전체에 고르게 흐르게 되므로, 공기의 흐름이 개선되어 고체산화물 연료전지 모듈의 집진 효율이 향상되는 효과가 있다. In order to solve this problem, the solid oxide fuel cell module according to the present embodiment restricts the flow of air through the housing in a specific direction. Accordingly, since the air flows uniformly in the entire metal foam connecting plate along a certain direction (i.e., the Z direction), the flow of air is improved to improve the dust collecting efficiency of the solid oxide fuel cell module.

이러한 효과를 높이기 위해, 공기의 흐름 방향(즉 Z 방향)을 따라 공기의 흐름 방향을 강제로 형성하는 것도 가능하다. 즉, 송풍기 등을 통해 강제로 공기를 고체산화물 연료전지 모듈의 하우징 내부로 공급하는 등 필요에 따라 다양한 응용이 가능하다. In order to enhance this effect, it is also possible to forcibly form the air flow direction along the air flow direction (i.e., the Z direction). That is, various applications are possible as needed by for example supplying air into the housing of the solid oxide fuel cell module through a blower or the like.

또한 본 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 모듈은 가압 부재에 의해 하우징의 측부 판재가 가압된다. 측부 판재가 가압됨에 따라, 측부 판재는 금속폼 연결판을 가압하게 되고, 이에 가압된 금속폼 연결판은 단위전지와의 접촉면에 압력이 집중되므로 상호 간에 보다 밀접하게 접촉될 수 있다.In addition, the side plate member of the housing is pressed by the pressing member in the solid oxide fuel cell module according to the present embodiment. As the side plate member is pressed, the side plate member presses the metal foam connecting plate, so that the pressurized metal foam connecting plate can be more closely contacted with each other since the pressure is concentrated on the contact surface with the unit cell.

따라서, 단위전지와 금속폼 연결판 간의 접촉 저항을 줄일 수 있으므로 집전 효율을 높일 수 있다.
Therefore, the contact resistance between the unit cell and the metal foam connecting plate can be reduced, and the current collecting efficiency can be increased.

한편, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈은 전술한 실시예에 한정되지 않으며, 필요에 따라 다양한 변형이 가능하다. Meanwhile, the solid oxide fuel cell module according to the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible as needed.

예를 들어 전술한 실시예에서는 연료극 지지체가 단위전지의 내측에 배치되고, 공기극이 외측에 배치되는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 반대로 공기극 지지체가 단위전지의 내측에 배치되고, 외측에 연료극이 배치되도록 구성하는 것도 가능하다. For example, in the above-described embodiment, the fuel electrode support is disposed on the inner side of the unit cell and the air electrode is disposed on the outer side. However, the air electrode support may be disposed on the inner side of the unit cell, .

또한, 이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. And will be apparent to those skilled in the art.

100..... 고체산화물 연료 전지 모듈
110.....단위전지
111.....연료극 지지체
113.....전해질
115.....공기극
120.....금속폼 연결판
150.....하우징
152.....단부 판재
154.....측부 판재
170.....가압부
172.....지지판
176.....가압 나사100 ..... solid oxide fuel cell module
110 ..... unit cell
111 ..... anode support
113 ...... electrolyte
115 ..... cathode
120 ..... metal foam connecting plate
150 ..... Housing
152 ..... end plate material
154 ..... side plate
170 ..... pressing portion
172 ..... Support plate
176 ..... Pressure screw

Claims (7)

관형으로 형성되며 전해질의 양면에 연료극과 공기극이 배치되어 형성되는 적어도 하나의 단위전지;
일정한 두께를 가지며, 상기 단위전지의 일부분이 수용되는 홈을 갖는 금속폼 연결판; 및
상기 금속폼 연결판의 사방에 배치되어 상기 금속폼 연결판을 가압하도록 결합되는 하우징;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈.
At least one unit cell formed in a tubular shape and having a fuel electrode and an air electrode disposed on both sides of the electrolyte;
A metal foam connection plate having a predetermined thickness and having a groove in which a part of the unit cell is received; And
A housing disposed on all sides of the metal foam connection plate and coupled to press the metal foam connection plate;
The solid oxide fuel cell module comprising: a solid oxide fuel cell module;
제 1 항에 있어서, 상기 금속폼 연결판은,
다수개가 상기 다수의 단위전지와 교대로 적층되는 고체산화물 연료전지 모듈.
The metal foil connecting plate according to claim 1,
A plurality of unit cells are stacked alternately with the plurality of unit cells.
제 1 항에 있어서, 상기 하우징은,
상기 단위전지가 수용된 상기 금속폼 연결판의 양단에 각각 배치되는 단부 판재; 및
상기 금속폼 연결판의 양 측면에 각각 배치되는 측부 판재;
를 포함하는 고체산화물 연료전지 모듈.
The connector according to claim 1,
An end plate disposed on both ends of the metal foam connecting plate accommodating the unit cells; And
A side plate disposed on both side surfaces of the metal foam connecting plate;
And a solid oxide fuel cell module.
제 3 항에 있어서,
상기 측부 판재를 상기 금속폼 연결판 측으로 가압하는 가압 부재를 더 포함하는 고체산화물 연료전지 모듈.
The method of claim 3,
And a pressing member for pressing the side plate member toward the metal foam connecting plate.
제 4 항에 있어서, 상기 가압 부재는,
상기 단부 판재에 체결되어 고정되는 지지판; 및
상기 지지판에 나사 결합되어 상기 측부 판재를 가압하는 가압 나사;
를 포함하는 고체산화물 연료전지 모듈.
The apparatus according to claim 4,
A support plate fastened to and fixed to the end plate member; And
A pressing screw which is screwed to the support plate to press the side plate member;
And a solid oxide fuel cell module.
제 3 항에 있어서,
상기 단부 판재들을 상호 연결하며 고정하는 고정 부재를 더 포함하며,
상기 고정 부재는 상기 단부 판재들을 관통하는 샤프트; 및
상기 샤프트의 양단에 체결되는 너트;
를 포함하는 고체산화물 연료전지 모듈.
The method of claim 3,
And a fixing member for interconnecting and fixing the end plates,
The fixing member comprising: a shaft passing through the end plates; And
A nut fastened to both ends of the shaft;
And a solid oxide fuel cell module.
관형으로 형성되며 전해질의 양면에 연료극과 공기극이 배치되어 형성되는 적어도 하나의 단위전지;
상기 다수의 단위전지와 교대로 적층되는 금속폼 연결판; 및
상기 금속폼 연결판의 양 측에 배치되어 상기 금속폼 연결판을 가압하는 측면판재;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 모듈.At least one unit cell formed in a tubular shape and having a fuel electrode and an air electrode disposed on both sides of the electrolyte;
A metal foam connection plate alternately stacked with the plurality of unit cells; And
A side plate disposed on both sides of the metal foam connection plate to press the metal foam connection plate;
The solid oxide fuel cell module comprising: a solid oxide fuel cell module;
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KR20170057506A (en) * 2015-11-16 2017-05-25 한국에너지기술연구원 Amtec having detachable unit cells
WO2023239117A1 (en) * 2022-06-08 2023-12-14 주식회사 엘지에너지솔루션 Battery module and manufacturing method therefor

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