KR20150010156A - 멀티셀 구조를 가지는 평판형 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

멀티셀 구조를 가지는 평판형 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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오탁근
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Abstract

본 발명은 멀티셀 구조의 고체산화물 연료 전지에 관한 것이며, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 높은 전압, 단전지의 저가화, 고내구화를 구현할 수 있는 효과가 있다.

Description

멀티셀 구조를 가지는 평판형 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법 {FLAT-TYPE SOLID OXIDE FUEL CELL WITH MULTI-CELL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 명세서는 멀티셀 구조를 가지는 평판형 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다.
연료전지란 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화 수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다. 기존의 발전기술이 연료, 연소, 증기 발생, 터빈 구동 등의 과정을 거치는 것과 달리 연료전지는 연료 연소나 터빈 구동의 과정이 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경문제를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이다.
연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자전해질 연료전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell), 인산 연료전지(PAFC: phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC: molten carbonate fuel cell), 고체산화물 연료전지(SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분된다.
일반적인 고체산화물 연료전지는 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극 및 연료극으로 이루어져 있고, 그 작동 원리는 다음과 같다. 공기극에서 산소 원자가 전자 2개를 받는 환원 반응에 의해 산소이온으로 변환되고, 이 산소이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동한다. 연료극에서는 산소이온과 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되고, 이때, 연료극에서는 전자가 생성되고, 공기극에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 외부회로를 통하여 서로 연결하면 전기가 흐르게 되는 것이 고체 산화물 연료전지반응의 원리이다.
한편, 고체산화물 연료전지는 원통형 타입과 평판형 타입으로 구분할 수 있다. 평판형 고체 산화물 연료전지는 주로 하나의 단전지로 구성되어, 분산 발전 또는 대용량 발전에 용이하도록 대면적화 되고 있다.
원통형 지지체의 경우에는 외주면에, 평판형 지지체의 경우에는 상면 및 하면에, 연료극과 전해질과 공기극이 층상 구조로 코팅된 발전소자부가 형성된다.
평판형 형태의 단전지는 원통형에 비해 내부 저항이 낮고 전력 밀도가 높기 때문에 고효율 발전에 적합한 형태로 생산성이 높고 전해질 박막화가 비교적 용이한 반면에 발전에 적합한 대면적 스택을 쌓기 위해서는 장당 낮은 전압으로 인해 수많은 단전지 수가 필요하며, 또한 지지체 내구성의 한계로 인한 문제점이 존재한다.
한국 공개특허공보 2005-0099558
따라서, 당 기술분야에서는 적은 단전지의 효율을 높이거나, 제조 단가를 낮추고, 지지체의 내구성을 높이는 고체산화물 연료전지에 대한 연구가 요구되고 있다.
본 명세서는 지지체; 상기 지지체 상부에 구비된 전류 버퍼층; 및 상기 전류 버퍼층 상부에 구비된 복수 개의 셀 유닛을 포함하는 적어도 하나의 멀티셀 단전지를 포함하고, 상기 셀 유닛은 연료극, 전해질, 공기극 및 연결재를 포함하는 것인 평판형 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또한, 본 명세서는 지지체 상부에 전류 버퍼층을 적층하는 단계; 및
상기 전류 버퍼층 상부에 복수 개의 셀 유닛을 적층하는 단계를 포함하는 멀티셀 단전지를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 셀 유닛은 연료극, 전해질, 공기극 및 연결재를 포함하는 것인 평판형 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 멀티셀 구조를 가지는 평판형 고체산화물 연료전지는 최소의 단전지수로 높은 전압, 단전지의 저가화 및/또는 고내구화의 구현이 가능하다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 멀티셀 구조를 갖는 평판형 고체산화물 연료전지의 단면도이다.
도 2는 멀티셀 구조를 갖는 평판형 고체 산화물 연료 전지의 평면도이다.
도 3은 멀티셀 단전지에 집전체를 결합하여, 연료극과 공기극을 각각 집전체와 연결한 구조의 단면도 및 평면도를 나타낸 도이다.
도 4는 집전된 셀에 실런트를 적층한 구조의 단면도 및 평면도를 나타낸 도이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 멀티셀 구조를 갖는 평판형 고체산화물 연료전지의 단면도이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 평판형 고체 산화물 연료전지는 지지체(1), 전류버퍼층(6), 연료극(2), 전해질(3), 공기극(4) 및 연결재(5)를 포함하는 멀티셀 단전지를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 멀티셀 단전지는 지지체, 전류버퍼층 및 복수 개의 셀 유닛을 포함한다.
상기 전류 버퍼층을 포함하는 멀티셀 단전지는 지지체와 집전체로 전류가 흐르지 않아 셀 유닛간 직렬로 전류를 생성할 수 있다.
상기 복수 개의 셀 유닛은 각각 연료극(2); 전해질(3); 공기극(4) 및 연결재(5)를 포함한다.
상기 복수 개의 셀 유닛에서 상기 "복수"의 의미는 n 개로서, n은 2 이상의 정수이다. 상기 n은 사용하고자 하는 멀티셀 단전지의 크기에 따라 당업자 임의로 변경 가능하다. 구체적으로 n은 2 내지 100의 정수이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, n은 10 내지 80의 정수이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, n은 20 내지 30의 정수이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 멀티셀 단전지는 지지체의 길이의 10 cm 당 2 개 내지 10개의 셀 유닛을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 복수 개의 셀 유닛은 서로 직렬 연결 된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 평판형 고체산화물 연료 전지는 멀티셀 단전지를 2 이상 포함하고, 상기 2 이상의 멀티셀 단전지 사이에 전류 버퍼층을 더 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2 이상의 멀티셀 단전지는 서로 병렬 연결된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 평판형 고체 산화물 연료 전지는 상기 멀티셀 단전지를 2 이상 포함하고, 상기 2 이상의 멀티셀 단전지는 적층되어 병렬 연결되며, 상기 복수 개의 셀 유닛은 서로 직렬연결된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 복수 개의 셀 유닛을 포함하고, 상기 셀 유닛이 서로 직렬적으로 연결되는 경우, 복수 개의 셀 유닛을 포함하는 멀티셀 단전지는 셀 유닛을 포함하지 않는 단전지에 비하여, 높은 전압을 갖는다.
따라서, 최소한의 단전지 수로 높은 전압을 갖게 되어, 컴팩트한 평판형 고체 산화물 연료전지를 제공할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 지지체는 전도성 지지체이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 지지체는 금속 지지체이다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 상기 지지체는 다공성 구조를 포함하거나가스 채널이 뚫린 구조를 포함한다. 이 경우, 전극쪽으로 가스 공급이 원활할 수 있다.
예를 들면, 상기 금속 지지체는 스테인리스강(SUS)일 수 있다. 구체적으로 페라이트계 스테인리스강(ferritic stainless), 오스테나이트계 스테인레스강(Austenitic stainless), Ni-Fe, ni-Cr 또는 Fe-Cr의 합금일 수 있으나, 여기에 한정되지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 멀티셀 단전지는 상기 지지체 상부에 복수 개의 셀 유닛이 구비된 것을 포함하고, 상기 셀 유닛은 연료극; 상기 연료극과 대향하여 구비되는 공기극; 상기 연료극과 상기 공기극 사이에 구비되는 전해질; 및 상기 공기극 상부에 구비되는 연결재를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 셀 유닛 중 m 번째 셀 유닛의 전해질은 상기 m 번째 셀 유닛의 연료극과 상기 m 번째 셀 유닛의 공기극 사이 및 상기 m 번째 연료극과 m+1 번째 연료극 사이에 구비된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 연결재는 상기 복수 개의 셀 유닛을 직렬 연결한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 복수 개의 셀 유닛 중 m 번째 셀 유닛의 연결재는 상기 m 번째 공기극과 m+1 번째 연료극을 직렬 연결한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 m 번째 셀 유닛의 연결재는 상기 m 번째 공기극 상부의 일 영역 및 상기 m 번째 전해질과 m+1 번째 전해질 사이에 구비된다.
상기 멀티셀 구조에 포함된 단전지는 상기 연결재를 매개로 평면 전극 구조의 직렬 연결 형태로 연결되어 집전될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 지지체의 복수 개의 셀 유닛이 구비된 면의 대향하는 면 및 지지체의 양 측면에 접하여 구비되는 집전체를 더 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 집전체는 상기 첫번째 셀 유닛의 연료극의 적어도 일부와 접하고, n 번째 셀 유닛의 공기극의 적어도 일부와 접한다.
상기 "접한다"의 의미는 직접 접하는 것뿐만 아니라, 연결재를 통하여 간접적으로 접하는 것도 포함한다.
본 명세서에서 상기 집전체는 연료극 및 공기극의 전자를 모으거나 공급하는 집전 역할 외에도 멀티셀 단전지의 적층을 용이하게 하는 역할을 한다. 집전체는 금속 등 당업계에 쓰이는 재료를 사용할 수 있다.
본 명세서에서 상기 직렬로 연결된 셀의 양 끝단에서 전기를 추출해야 하므로, 첫번째 및 n 번째 셀 유닛의 연결재는 각각 어느 한 유닛의 연료극의 일 영역에 구비되고, 다른 한 유닛의 공기극의 일 영역에 구비된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 첫번째 셀 유닛의 연결재는 상기 연료극 상부의 일 영역에 구비되고, n 번째 셀 유닛의 연결재는 상기 공기극 상부의 일 영역에 구비된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 연결재 상부의 일 영역 및 일 측면에 실런트를 추가로 포함한다.
상기 실런트는 연료 가스와 산소를 분리하여, 연료 전지의 성능을 유지시키고, 산소수(oxyhydrogen)의 형성을 막는 역할을 한다. 상기 실런트는 유리 소재 등 일반적으로 공지된 것을 사용할 수 있다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 셀 유닛 중 m+1 번째 셀 유닛의 공기극은 m 번째 셀 유닛의 연결재와 일정 간격으로 이격되어 구비된다.
이 경우, m 번째 공기극과 m+1 번째 공기극이 접촉하는 것을 방지하고, 밀집된(dense) 구조의 연결재의 경우, 공기극에 공기가 유입될 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 셀 유닛 중 m+1 번째 셀 유닛의 공기극과 m 번째 셀 유닛의 연결재는 접촉되어 배치되어 있다. 다공성(porous)한 구조의 연결재의 경우, 공기극과 연결재가 접촉되어 있더라도 공기극에 공기가 유입될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2 이상의 적층된 멀티셀 단전지의 양 측면에 가스 채널 세그먼트가 더 구비되고, 상기 가스 채널 세그먼트가 상기 2 이상의 적층된 멀티셀 단전지를 서로 병렬 연결한다.
본 명세서에서 상기 가스 채널 세그먼트는 집전체와 동일한 재료로 사용할 수 있으며, 적층된 멀티셀 단전지의 병렬 연결뿐만 아니라 가스의 이동통로로서의 역할을 한다.
본 명세서에 있어서, 상기 m 은 1 내지 n의 정수이고, 상기 n은 2 이상의 정수이다.
또한, 2층 이상의 적층된 멀티셀 단전지를 사용하는 경우, 단층의 멀티셀 단전지보다 단위 부피당 출력 밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2층 이상의 적층된 멀티셀 단전지 사이에 전류 버퍼층이 구비된다. 이 경우, 순차적인 적층이 가능하다.
상기 공기극은 란타늄 또는 칼슘 도핑된 스트론튬 망간 산화물 (LSM(strontium doped Lanthanum manganite)); 란타늄 스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF((La, Sr)(Co, Fe))); BSCF((Ba, Sr)(Co, Fe)); 가돌리늄(gadolinium), 사마륨(samarium), 란타늄(lanthanium), 이테르븀(ytterbium) 및 네오디뮴(neodymium) 중 하나 이상이 도핑된 세리아; 및 백금, 니켈, 팔라늄, 은, 란타늄, 스트론튬, 바륨 및 코발트 중 하나 이상이 도핑된 페로브스카이트등의 조성으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 연료극은 산화니켈(NiO) 및 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria stabilized Zirconia, YSZ)가 혼합된 물질로 이루어질 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전해질은 탄화수소계 고분자, 불소계 고분자, 이트리아 안정화 지르코니아, (La, Sr)(Ga, Mg)O3, Ba(Zr, Y)O3, GDC(Gd doped CeO2), YDC(Y2O3 doped CeO3), YSZ(Yttrium stabilized zirconia), 스칸디움 안정화 지르코니아(ScSZ(Scandium stabilized zirconia)) 등을 사용하며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 연결재는 은(Ag), 백금(Pt), 니켈(Ni) 등과 같은 전도성이 좋은 귀금속 또는 이들 귀금속과 유리 밀봉 소재 혼합물이나, 공기극(고온 전도성을 가지는 페로브스카이트(perovskite) 구조) 물질, 스테인리스 강 (SUS), 초합금강(superalloys) 등을 사용하며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전류 버퍼층은 절연성이다.
본 명세서에 있어서, 상기 전류 버퍼층은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물 (SixNy), 알루미늄 산화물(AlxOy), 마그네슘 산화물 (MgxOy), 티타늄 산화물(TixOy), 지르코늄 산화물(ZrxOy), 세륨 산화물(CexOy), 란타늄 갈레이트(Lanthanum Gallate), 바륨 세레이트(Barium Cerate), 바륨 지르코네이트(Barium Zirconate) 또는 상기 재료들의 여러 도핑상을 사용하며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 버퍼층은 절연 및 열 팽창의 버퍼층 역할을 한다. 여기서 열 팽창의 버퍼층은 열팽창에 의한 스트레스를 억제하기 위한 버퍼층을 의미한다. 따라서, 멀티셀 단전지와 연결재 사이에 전류 버퍼층을 구비함으로 인하여, 멀티셀 단전지간 수직으로 발생하는 숏트를 방지할 수 있다.
본 발명에 있어서, 멀티셀 구조의 양 끝단은 집전을 위하여 세라믹 세그먼트, 금속 세그먼트 등을 이용하여 연결한다.
세그먼트는 전도성 세라믹 또는 금속 세그먼트로 형성되며, 수소를 포함하는 연료가스 및 공기와 접촉하기 때문에 내환원성 및 내산화성을 갖는 것이 바람직하다.
구체적으로 세그먼트는 란탄크로마이트계 페로브스카이트형 산화물(LaCrO3계 산화물) 또는 여기에 칼슘, 스트론튬, 마그네슘, 코발트, 알루미늄 등이 도핑된 전도성 세라믹 연결재; Cr을 기본으로 하는 Cr-base alloy(CrBA), Fe를 기본으로 하는 페라이트계 스테인레스 스틸 (ferritic STS), 오스테나이트계 스테인레스 스틸(Austenitic STS), Fe-base 초합금(FeBSA), Ni를 기본으로 하는 Ni-base초합금(NiBSA) 등의 금속 연결재를 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 세그먼트는 가스 유로를 공급하는 역할을 하며, 가스 유로가 공급될 수 있도록 홈이 파져있는 형태이다. 상기 홈의 모양은 한정하지 않는다.
본 명세서에 있어서, 평판형 고체 산화물 연료전지의 제조방법은 하기와 같다.
본 명세서는 지지체 상부에 전류 버퍼층을 적층하는 단계; 및 상기 전류 버퍼층 상부에 복수 개의 셀 유닛을 적층하는 단계를 포함하는 멀티셀 단전지를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 셀 유닛은 연료극, 전해질, 공기극 및 집전체를 포함하며, 상기 지지체는 절연성인 것인 평판형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법을 제공한다.
본 명세서에 있어서, 상기 멀티셀 단전지를 2 이상 제조하는 단계에서 상기 셀 유닛은 상기 연료극 상부에 전해질을 적층하는 단계; 상기 전해질 상부에 공기극을 적층하는 단계; 및 상기 공기극 상부에 연결재를 적층하는 단계를 포함하여 제조된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 멀티셀 단전지를 2 이상 제조하는 단계; 및 상기 2 이상 멀티셀 단전지 사이에 전류 버퍼층을 구비하는 단계를 더 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 멀티셀 단전지를 2 이상 제조하는 단계에서 상기 복수 개의 셀 유닛은 직렬 연결 되도록 적층된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 멀티셀 단전지를 제조하는 단계는 상기 연결재로 상기 복수 개의 셀 유닛을 직렬로 연결하는 것을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2 이상의 멀티셀 단전지를 병렬 연결하는 단계를 더 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 멀티셀 단전지를 2층이상 적층하고, 2층 이상의 멀티셀 단전지 사이에 전류 버퍼층을 더 구비하는 단계를 포함한다. 상기 적층된 멀티셀 단전지의 양 측면에 가스 채널 세그먼트를 더 구비한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2 이상의 멀티셀 단전지의 양 측면을 가스 채널 세그먼트로 병렬 연결하는 단계를 더 포함한다.
도 3은 멀티셀 단전지에 집전체를 결합하여, 연료극과 공기극을 각각 집전체와 연결한 구조의 단면도 및 평면도를 나타낸 도이다. 구체적으로 멀티셀 단전지와 가스 통로를 가진 집전체를 결합하여, 연료극과 공기극을 각각 집전체와 집전한다.
도 4는 집전된 셀에 실런트를 적층한 구조의 단면도 및 평면도를 나타낸 도이다. 구체적으로 상기 집전체를 결합하여 집전된 셀에 연료 가스와 공기 가스를 분리하기 위한 유리 소재의 실런트를 적층하여 제조할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 셀 유닛의 지지체는 전도성이다.
본 명세서에 있어서, 상기 지지체는 일반적인 성형방법을 사용하여 제조할 수 있다. 예를 들면, 테이프-캐스팅(tape-casting), 압출(extrusion)성형 또는 프레싱(pressing) 등의 방법을 통해서 제조할 수 있으며, 이에 한정된 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 상기 음극(연료극, Anode)은 필름 코팅 방법을 사용하여 제조할 수 있다. 예를 들면, 테이프-캐스팅(tape-casting), 스크린-프린팅, 스프레이 코팅 또는 잉크젯 프린팅 등의 방법을 통해서 제조할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 상기 양극(공기극, Cathode)은 필름 코팅 방법을 사용하여 제조할 수 있다. 예를 들면, 테이프-캐스팅(tape-casting), 스크린-프린팅, 스프레이 코팅 또는 잉크젯 프린팅 등의 방법을 통해서 제조할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 상기 전해질(Electrolyte)은 필름 코팅 방법을 사용하여 제조할 수 있다. 예를 들면, 테이프-캐스팅(tape-casting), 스크린-프린팅, 스프레이 코팅 또는 잉크젯 프린팅 등의 방법을 통해서 제조할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
고체산화물 연료전지는 활성화 분극을 바탕으로 한 과전압이 낮고, 비가역적 손실이 적으므로 발전효율이 높다. 또한, 전극에서의 반응속도가 빠르기 때문에 전극 촉매로서 값비싼 귀금속을 필요로 하지 않는다.
고체 산화물의 연료 전지는 600~1000℃의 고온에서 작동되므로 기존의 연료전지 중 가장 전력 변환 효율이 높다.
또한, 고온 작동으로 인하여, 200℃이하의 온도에서 작동되는 인산 연료전지 또는 고분자 전해질 연료전지와는 달리 고가의 백금 촉매를 사용하지 않고도 반응을 가속화시킬 수 있으며, 고온에서 연료극 측에서의 연료의 개질 반응이 가능하여 수소 이외에 천연 가스 및 석탄 가스 등의 연료를 직접 사용할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 배출되는 양질의 폐열을 이용한 배열회수 및 복합발전이 가능하여 전체 발전 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
특히, 용융 탄산염 연료전지와는 달리 액체 전해질을 사용하지 않으므로 재료의 부식, 전해질 손실, 그에 따른 보충 문제가 없는 장점이 있다.
또 하나의 일 실시 상태는 하나의 지지체 및 상기 지지체 상부에 복수 개의 셀 유닛이 구비되는 것이 특징이다.
상기 셀 유닛의 집전체를 포함하고, 상기 집전체는 상기 복수 개의 셀 유닛을 직렬 연결하는 것이 특징이다.
이러한 특징으로 인하여, 상기 평판형 고체 산화물 단전지의 장점을 유지하되 최소한의 단전지 수로 높은 전압을 가지며, 단전지 지지체를 다양한 저가의 고강도 재료를 사용함으로써, 단전지의 저가화, 고내구화를 구현할 수 있다.
또한, 본 명세서의 멀티셀 단전지는 절연성인 지지체를 구비하는 것이 특징이다. 상기 절연성인 지지체를 사용하는 경우, 멀티셀 단전지에 포함된 셀 유닛간의 직렬 연결을 유지하고, 멀티셀 단전지 간의 수직으로 발생하는 숏트를 방지할 수 있다. 또한, 별도의 전류 버퍼층이 불필요하여, 제조 과정에서 시간 및/또는 비용상에 이점이 있다.
또한, 2 이상의 멀티셀 단전지가 적층되고, 각각의 멀티셀 단전지는 연결재로 병렬 연결된다. 이러한 특징으로 인하여, 상기 절연성 지지체로 인하여 단절된 멀티셀 단전지간의 연결을 유지하도록 하는 효과가 있다.
또한, 평관형 연료전지에 비하여, 간단한 적층 형태로 스택을 체결할 수 있으며, 적층을 많이 해도 컴팩트한 연료전지를 제공할 수 있다.
특히, 컴팩트한 단전지 설계를 통해 가정용 분산발전 시스템에 용이한 스택 용도에 적합한 특징을 갖는다.
1 지지체
2 음극 (연료극, Anode)
3 전해질 (Electrolyte)
4 양극 (공기극, Cathode)
5 연결재 (interconnector)
6 전류 버퍼층 (current buffer layer)
7 집전체(current colloector)
8 실런트(sealant)
9 가스 채널 세그먼트(segment)
10 셀 유닛

Claims (23)

  1. 지지체; 상기 지지체 상부에 구비된 전류 버퍼층; 및 상기 전류 버퍼층 상부에 구비된 복수 개의 셀 유닛을 포함하는 적어도 하나의 멀티셀 단전지를 포함하고,
    상기 셀 유닛은 연료극, 전해질, 공기극 및 연결재를 포함하는 것인 평판형 고체 산화물 연료 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수 개의 셀 유닛은 서로 직렬 연결된 것인 평판형 고체 산화물 연료 전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 평판형 고체 산화물 연료전지는 상기 멀티셀 단전지를 2 이상 포함하고,
    상기 2 이상의 멀티셀 단전지 사이에 전류 버퍼층을 더 포함하는 것인 평판형 고체 산화물 연료 전지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 2 이상의 멀티셀 단전지는 서로 병렬 연결된 것인 평판형 고체 산화물 연료 전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀 유닛은 연료극;
    상기 연료극과 대향하여 구비되는 공기극;
    상기 연료극과 공기극 사이에 구비되는 전해질; 및
    상기 공기극 상부에 구비되는 연결재를 포함하는 것인 평판형 고체 산화물 연료 전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀 유닛 중 m 번째 셀 유닛의 전해질은
    상기 m 번째 셀 유닛의 연료극과 상기 m 번째 셀 유닛의 공기극 사이 및
    상기 m번째 연료극과 m+1번째 연료극 사이에 구비되고,
    상기 m은 1 내지 n의 정수이며,
    상기 n은 2 이상인 정수인 것인 평판형 고체 산화물 연료전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 연결재가 상기 복수 개의 셀 유닛을 직렬 연결하는 것인 평판형 고체 산화물 연료 전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀 유닛 중 m 번째 셀 유닛의 연결재는
    상기 m 번째 공기극과 m+1 번째 연료극을 직렬 연결하는 것이고,
    상기 m은 1 내지 n의 정수이며,
    상기 n은 2 이상의 정수인 것인 평판형 고체 산화물 연료전지.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 m 번째 셀 유닛의 연결재는
    상기 m 번째 공기극과 상부의 일 영역 및
    상기 m 번째 전해질과 m+1 번째 전해질 사이에 구비되는 것인 평판형 고체 산화물 연료전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지체의 복수 개의 셀 유닛이 구비된 면의 대향하는 면 및 지지체의 양 측면에 접하여 구비되는 집전체를 더 포함하는 것인 평판형 고체 산화물 연료전지.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 집전체는 첫번째 셀 유닛의 연료극의 적어도 일부와 접하고,
    n 번째 셀 유닛의 공기극의 적어도 일부와 접하고,
    n은 2 이상의 정수인 것인 평판형 고체 산화물 연료전지.
  12. 청구항 1에 있어서,
    첫번째 셀 유닛의 연결재는 상기 연료극 상부의 일 영역에 구비되고,
    n 번째 셀 유닛의 연결재는 상기 공기극 상부의 일 영역에 구비되며,
    n은 2 이상의 정수인 것인 평판형 고체 산화물 연료전지.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 연결재 상부의 일 영역 및 일 측면에 실런트를 추가로 포함하는 것인 고체 산화물 연료전지.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀 유닛 중 m+1 번째 셀 유닛의 공기극은 m 번째 셀 유닛의 연결재와 일정 간격으로 이격되어 구비되고,
    상기 m은 1이상 n 이하의 정수이며,
    상기 n은 2 이상의 정수인 것인 평판형 고체 산화물 연료전지.
  15. 청구항 3에 있어서,
    상기 2 이상의 멀티셀 단전지의 양 측면에 가스 채널 세그먼트가 더 구비되고,
    상기 가스 채널 세그먼트가 상기 2층 이상의 멀티셀 단전지를 서로 병렬 연결 하는 것인 평판형 고체 산화물 연료 전지.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지체는 전도성인 것인 평판형 고체 산화물 연료전지.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류 버퍼층은 절연성인 것인 평판형 고체 산화물 연료전지.
  18. 지지체 상부에 전류 버퍼층을 적층하는 단계; 및
    상기 전류 버퍼층 상부에 복수 개의 셀 유닛을 적층하는 단계를 포함하는 멀티셀 단전지를 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 셀 유닛은 연료극, 전해질, 공기극 및 연결재를 포함하는 것인 평판형 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 셀 유닛은 상기 연료극 상부에 전해질을 적층하는 단계;
    상기 전해질 상부에 공기극을 적층하는 단계; 및
    상기 공기극 상부에 연결재를 적층하는 단계를 포함하는 평판형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 멀티셀 단전지를 2 이상 제조하는 단계; 및
    상기 2 이상 멀티셀 단전지 사이에 전류 버퍼층을 구비하는 단계를 더 포함하는 것인 평판형 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법.
  21. 청구항 18에 있어서,
    상기 멀티셀 단전지를 제조하는 단계는
    상기 연결재로 상기 복수 개의 셀 유닛을 직렬로 연결하는 것을 포함하는 것인 평판형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 2 이상의 멀티셀 단전지를 병렬 연결하는 단계를 더 포함하는 평판형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.
  23. 청구항 18에 있어서,
    상기 지지체는 전도성인 것인 평판형 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.
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