KR20160119457A - 대용량 평관형 고체산화물 셀스택, 이를 이용한 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 수전해장치 - Google Patents

대용량 평관형 고체산화물 셀스택, 이를 이용한 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 수전해장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대용량 평관형 고체산화물 셀스택, 이를 이용한 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 수전해장치에 관한 것이다.

Description

대용량 평관형 고체산화물 셀스택, 이를 이용한 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 수전해장치{MASS FLAT-TUBULAR CELL STACK AND SOLID-OXIDE FUEL CELL OR SOLID-OXIDE WATER ELECTROLYSIS APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 대용량 평관형 고체산화물 셀스택, 이를 이용한 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 수전해장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 천연가스, 석탄가스, 메탄올 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학 반응에 의해서 직접 전기 에너지로 변환시키는 고효율의 청정 발전기술로서, 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 알카리형, 인산형, 용융탄산염, 고체산화물 및 고분자 연료전지로 분류된다.
상기 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 구성요소가 모두 고체의 형태로 구성되어 600 ~ 1000℃ 정도의 고온에서 작동하는 연료전지로서, 종래 여러 형태의 연료전지들 중 가장 효율이 높고 공해가 적을 뿐 아니라, 연료 개질기를 필요로 하지 않고 복합발전이 가능하다는 여러 장점을 지니고 있다. 상기 고체산화물 연료전지는 전기화학 반응을 역으로 진행시켜 고온 수전해장치(Solid Oxide Electrolyzer Cell, SOEC)로 이용될 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 수전해장치는 형태에 따라 평판형, 원통형 및 평관형으로 크게 분류된다.
상기 평판형 연료전지 및 수전해장치는 전력밀도(출력)가 높은 장점이 있다. 그러나 평판형 연료전지 및 수전해장치는 가스 밀봉면적이 넓다는 문제, 적층시 재료들간의 열팽창계수 차이에 의한 열적 쇼크 문제 및 대면적화가 어려운 단점이 있다.
상기 원통형 연료전지는 열응력에 대한 저항 및 기계적 강도가 상대적으로 높고, 압출성형으로 제조할 수 있고, 대면적화가 가능하다는 장점이 있다. 그러나 상기 원통형 연료전지는 전력밀도가 낮다는 한계를 가지고 있다. 그리고 원통형 연료전지(SOFC) 및 수전해장치(SOEC)의 셀은 외부 집전을 위하여 집전용 귀금속 메시(mesh)와 와이어(wire)를 이용하여 외부를 감싸주는 형식으로 전류 집전을 하고 있으나 비용, 재현성 및 효율적인 면에서 단점이 많이 존재하고 있다.
한편, 상기 평판형 및 원통형의 고체산화물 연료전지 및 수전해장치의 장점을 도입한 형태가 평관형 연료전지 및 수전해장치이며, 이에 대해 한국공개특허 제2005-0021027호, 미국특허 US 7,351487호 등으로 개시되어 있다.
평관형 연료전지는 원통형 타입에 비하여 상대적으로 전력밀도(출력)가 높고 열응력에 대한 저항 및 기계적 강도가 우수하다는 장점이 있다.
그러나, 상기 평관형의 고체산화물연료전지 및 수전해장치는 상기와 같은 장점에도 불구하고, 단위셀, 연결재, 집전체, 매니폴드, 하우징, 단열재 및 밀봉재 등을 포함하여 스택을 구성하는 부품의 숫자가 매우 많은 단점이 있다.
KR 2005-0021027 A US 7351487 B
종래의 문제점을 개선하기 위해서는 평관형 셀의 외부 집전이 용이하도록 집전체를 셀과 일체화 시킨 셀스택이 제공되었다. 그러나 다수의 셀스택을 일체화시켜 대용량 셀스택 장치를 제공하는데는 어려움이 있으며, 아직 지극히 연구개발 초기 단계이다. 뿐만 아니라, 대용량 셀스택 장치를 제공하더라도 부분 교체가 어려워, 몇 개의 셀스택이 고장이 나더라도 전체 장치를 교체해야 한다는 문제점이 있다.
이에, 본 발명은 현재까지의 기술을 한단계 발전시킨 새로운 기술로 다수의 셀스택을 포함하여 제작한 대용량 평관형 고체산화물 셀스택을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 이를 이용한 고체산화물 연료전지 또는 고체산화물 수전해장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명의 대용량 평관형 고체산화물 셀스택은 부분교체가 가능하여, 비용절감이 가능하다. 따라서 본 발명에서는 경제성을 가지는 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 수전해장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 최상부 및 최하부의 하우징; 상기 하우징 사이에 위치하는 2개 이상의 평관형 고체 산화물 셀스택; 및 상기 하우징과 상기 평관형 고체 산화물 셀스택 사이 및 2개 이상의 평관형 고체 산화물 셀스택 들의 각 사이에 개제된 마이카 절연층;을 포함하고, 상기 하우징에 제 1 가스유입부, 제 1가스유출부 및 제 2가스 유입부가 연결되어 있는 대용량 평관형 고체산화물 셀스택을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 최하부 하우징에 제 1 가스유입부가 연결되고, 최상부 하우징에 제 1가스유출부 및 제 2가스 유입부가 연결되어 있는 대용량 평관형 고체산화물을 제공할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 평관형 고체 산화물 셀스택은 최상부 및 최하부의 단자를 포함하는 집전체; 상기 집전체 사이에 1개 이상의 셀; 및 상기 집전체와 셀 사이 및 1개 이상의 셀 사이에 개제된 연결재 및 실링재;를 포함할 수 있고, 상기 셀은 내부에 제 1가스 흐름부가 구비되고 양말단이 밀봉된 음극; 상기 음극에 코팅된 전해질층에 적층되어 구비된 양극;을 포함할 수 있고, 상기 셀의 양단에는 두께 방향으로 상면 및 하면 중 선택되는 한면 이상에 1개 이상의 셀들의 제 1가스 흐름부를 연통하기 위한 연결구멍을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 태양은 대용량 평관형 고체산화물 셀스택을 포함하는 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 수전해장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 태양은 1개 이상의 대용량 평관형 고체산화물 셀스택을 포함하는 대용량 일체형 평관형 장치를 제공한다.
본 발명의 대용량 평관형 고체산화물 셀스택은 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 수전해장치에 이용할 수 있다.
또한, 다수의 평관형 고체산화물 셀스택을 일체화시켜 대용량 평관형 고체산화물 셀스택을 제공함으로써, 연료전지에 사용하면 전기 에너지 발전 효율을 높일 수 있고, 고온 수전해 장치로 사용하면 발생가스인 수소의 순도를 높일 수 있다.
그리고 본 발명의 대용량 평관형 고체산화물 셀스택은 부분교체를 가능하게 함으로써, 고장난 셀스택만을 교체하여 장기간 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 평관형 고체산화물 셀스택의 단면도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 평관형 고체산화물 셀스택의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 셀의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 여러가지 형태의 평관형 고체산화물 셀스택의 내부의 제 1가스 흐름도의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 일체형 평관형 장치이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기의 구체적 설명은 본 발명의 일 실시예에 대한 설명이므로, 비록 한정적 표현이 있더라도 특허청구범위로부터 정해지는 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
종래에는 다수의 셀스택을 일체화시켜 대용량 장치를 제공하는데 어려움이 있고, 대용량 장치를 제공하더라도, 부분 교체가 어려워 몇 개의 셀스택이 고장이 나더라도 전체 장치를 교체해야 한다는 문제점이 있다.
이에 본 발명자들은 하우징 및 셀스택을 연결재 및 실링재로 일체화시킨 대용량 평관형 고체산화물 셀스택이 상기의 문제점을 해결한다는 것을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명은 최상부 및 최하부의 하우징; 상기 하우징 사이에 위치하는 2개 이상의 평관형 고체 산화물 셀스택; 및 상기 하우징과 상기 평관형 고체 산화물 셀스택 사이 및 상기 2개 이상의 평관형 고체 산화물 셀스택들의 각 사이에 개제된 마이카 절연층;을 포함하고, 상기 하우징에 제 1 가스유입부, 제 1가스유출부 및 제 2가스 유입부가 연결되어 있는 대용량 평관형 고체산화물 셀스택을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 제 1가스 유입부, 제 1가스 유출부 및 제 2가스 유입부는 상황에 따라 최상부 및 최하부 하우징에 적절하게 선택하여 구비될 수 있다. 그리고 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 하우징에 연결되는 제 1가스 유입부, 제 1가스 유출부 및 제 2가스 유입부는 상기 하우징과 가장 인접한 평관형 고체 산화물 셀스택과 연결되어 있을 수 있다.
예를 들면, 상기 최하부 하우징에 제 1 가스유입부가 연결되고, 최상부 하우징에 제 1가스유출부 및 제 2가스 유입부가 연결되어 있는 대용량 평관형 고체산화물 셀스택일 수 있다. 이 때에 최하부 하우징에 연결된 제 1가스 유입부로부터 공급되는 제 1가스는 2 개 이상의 평관형 고체산화물 셀스택 중에서 하우징과 가장 인접한 평관형 고체산화물 셀스택의 최하부 집전체를 통해 유입될 수 있다.
다른 예로는, 상기 최상부 하우징에 제 1 가스유입부가 연결되고, 최하부 하우징에 제 1가스유출부 및 제 2가스 유입부가 연결되어 있는 대용량 평관형 고체산화물 셀스택일 수 있다. 이 때에는 최상부 하우징에 연결된 제 1가스 유입부로부터 공급되는 제 1가스는 2 개 이상의 평관형 고체산화물 셀스택 중에서 하우징과 가장 인접한 평관형 고체산화물 셀스택의 최상부 집전체를 통해 유입될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 2개 이상의 평관형 고체 산화물 셀스택은 각각의 평관형 고체산화물 셀스택 사이에 마이카 절연층이 수직방향으로 개제되어 적층되고, 상기 수직방향으로 2개 이상이 적층된 평관형 고체산화물 셀스택은 일정간격을 두고 수평방향으로 배열될 수 있다.
상기 일정간격을 두는 이유는 상기 제 2가스 유입부에서 들어오는 제 2가스를 유출시키기 위함이며, 상기 제 1가스 및 제 2가스는 상기 셀스택이 사용되는 장치에 따라 다를 수 있다. 예를 들면 연료전지에서는 제 1가스는 수소를 포함하는 가스를 의미할 수 있고, 제 2가스는 공기를 의미할 수 있다.
한편, 본 발명의 대용량 평관형 고체산화물 셀스택은 연료전지(Fuel Cell) 및 수전해장치(Electrolyzer Cell)에 포함되어 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
하기에는 본 발명의 대용량 평관형 고체산화물 셀스택의 각 구성에 대해 도면을 참고하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 바람직한 일실시예에 따른 대용량 평관형 고체산화물 셀스택(10)의 단면도이다.
구체적으로 설명하면, 3개의 평관형 고체산화물 셀스택(12)은 각각의 평관형 고체산화물 셀스택 사이에 수직방향으로 마이카 절연층(13)이 개제되어 적층되고, 동일한 형태로 적층된 3개의 평관형 고체산화물 셀스택이 수평방향으로 일정한 간격을 두고 배열되어 있다. 따라서 최상부 및 최하부의 하우징(11) 사이에 총 6개의 평관형 고체산화물 셀스택(12)이 마이카 절연층(13)으로 일체화되어 있다.
최하부의 하우징(11)에는 일체화된 6개의 평관형 고체산화물 셀스택과 연결되는 제 1가스 유입부(14)가 관통되어 있고, 최상부의 하우징(11)에는 제 1가스 유입부와 마찬가지로 일체화된 6개의 평관형 고체산화물 셀스택과 연결된 제 1가스 유출부(15)가 관통되어 있으며, 최상부의 하우징(11)에는 제 2가스 유입부도 구비되어 있다. 보다 구체적으로 상기 제 1가스 유입부 및 제 1가스 유출부는 2단의 3개의 평관형 고체산화물 셀스택 각각에 연결되어 있다.
먼저 하우징(11)에 대해 설명한다.
본 발명의 하우징은 2개 이상의 평관형 고체산화물 셀스택을 하나의 대용량 평관형 고체산화물 셀스택으로 일체화시키기 위해 최상부 및 최하부에 사용되는 틀이다. 상기 하우징은 통상적으로 사용가능한 것이라면 무방하며, 바람직하게는600 ~ 800℃에서 변형이 없는 인코넬 금속일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 하우징은 평균두께 1mm ~ 5mm일 수 있다.
다음 평관형 고체산화물 셀스택(12)에 대해 설명한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 평관형 고체산화물 셀스택은 최상부 및 최하부의 단자를 포함하는 집전체; 상기 집전체 사이에 1개 이상의 셀; 및 상기 집전체와 셀 사이 및 1개 이상의 셀들의 사이에 연결재 및 실링재;를 포함할 수 있고, 상기 셀은 내부에 제 1가스 흐름부가 구비되고 양말단이 밀봉된 음극; 및 상기 음극에 코팅된 전해질층에 적층되어 구비된 양극;을 포함하고, 상기 셀의 양단에는 두께 방향으로 상면 및 하면 중 선택되는 한면 이상에 1 개 이상의 셀들의 제 1가스 흐름부를 연통하기 위한 연결구멍을 포함할 수 있다.
그리고 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 최하부 하우징에 연결된 제 1가스 유입부로부터 공급되는 제 1가스는 각셀스택의 최하부 집전체를 통해 유입될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 평관형 고체산화물 셀스택인 단셀스택(20a)의 단면도로써, 단자(12c)를 포함하는 최상부 및 최하부 집전체(12b) 사이에 1개의 셀(12a)을 포함하고 있다.
구체적으로, 최상부 및 최하부의 집전체(12b) 사이에 1개의 셀(12a)과 연결재(21)가 교차하여 적층되어 있다. 그리고, 최하부 집전체의 한쪽에 제 1가스 유입부(14)가 집전체(12b) 및 셀(12a)에 형성된 연결구멍(26)과 연결되어 있고, 최상부 집전체의 한쪽, 즉, 제 1가스 유입부와 반대쪽에 제 1가스 유출부(15)가 집전체(12b) 및 셀(12a)에 형성된 연결구멍(26)과 연결되어 있다.
보다 구체적으로, 상기 집전체(12b) 및 셀(12a)의 양단에 형성된 연결구멍(26)은 실링재(22a, 22b)로 실링하여 연결관이 형성되어 있다.
상기 연결재(21)는 상기 실링재로 형성된 양단의 연결관인 연결구멍 사이에서 상기 집전체(12b) 및 셀(12a)의 수직방향 사이에 적층되어 있다. 그리고 상기 연결재와 집전체 사이 및 상기 연결재와 셀 사이에는 Ag 페이스트 붓으로 형성한 코팅층(23)이 있을 수 있다.
도 2b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 셀스택인 2셀스택(20b)의 단면도로써, 단자(12c)를 포함하는 최상부 및 최하부 집전체(12b) 사이에 2개의 셀(12a)을 포함하고 있다. 도 2b는 셀을 2개를 포함하는 것을 제외하고는 상기 도 2a와 동일한 구성으로 되어 있다.
하기에는 평관형 고체산화물 셀스택의 구성에 대해 설명한다.
먼저 집전체(12b)에 대해 설명한다.
본 발명의 집전체란 전기를 집결하는 단자를 포함하여, 1 개 이상의 셀에서 형성된 전기를 집전하는 장치이고, 상기 1 개 이상의 셀의 최상부 및 최하부에 집전체가 각각 위치하여 다수의 셀을 일체화시키는 틀의 역할도 한다. 그리고 상기 최하부 및 최상부의 집전체에는 상기 제 1가스 유입부 및/또는 제 1가스 유출부가 연결되는 연결구멍을 포함할 수 있고, 상기 연결구멍은 상부 및 하부를 관통할 수 있다. 상기 최하부 및 최상부의 집전체에 연결되는 제 1가스 유입부 및/또는 제 1가스 유출부는 대용량 평관형 고체산화물 셀스택의 하우징에 연결되는 제 1가스 유입부 및/또는 제 1가스 유출부 형태에 따라 변경 가능하다.
예를 들어, 각 평관형 고체산화물 셀스택의 최하부 집전체에 제 1가스 유입부가 연결되고, 최상부 집전체에 제 1가스 유출부가 연결되어 있을 수 있고, 반대로 최상부 집전체에 제 1가스 유입부가 연결되고, 최하부 집전체에 제 1가스 유출부가 연결되어 있을 수 있다.
상기 집전체는 통상적으로 사용가능한 것이면 무방하고, 바람직하게는 크로퍼 분전판일 수 있다.
다음 셀(12a)에 대해 설명한다.
상기 셀은 내부에 제 1가스 흐름부가 구비된 음극; 상기 음극에 코팅된 전해질층에 적층되어 구비된 양극;을 포함하고, 상기 제 1가스 흐름부의 양단 각각에 두께방향으로 상면 및 하면 중 선택되는 한면 이상에 1개 이상의 셀들의 제 1가스 흐름부를 연결하는 연결구멍이 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 셀은 세라믹일 수 있고, 상기 셀은 적어도 1개 이상이 적층되며, 바람직하게는 3개 이상이 적층될 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 셀의 단면도이며, 내부에 제 1가스흐름부(31)가 구비되어 있고, 길이 방향 양단이 막힌 셀(30)이며, 상기 셀(30)의 한쪽단에 하부와 연결되는 연결구멍(26) 및 반대쪽단에 상부와 연결되는 연결구멍(26)이 구비되어 있다.
한편, 상기 연결구멍은 제 1가스가 1개 이상의 셀 사이를 연결하여 흐를 수 있도록 상기 제1가스흐름부(31)의 양단에 각각 마주하여 형성되어 있다. 상기 연결구멍은 인접한 다른 셀의 제1 가스흐름부(31)와 연결될 수 있으며, 제 1가스의 흐름의 다양한 변화를 위해서 연결구멍을 조절하여 형성시킬 수 있다.
상기 연결구멍에 따른 다양한 셀에 대해 예를 들어 설명한다.
첫번째 예를들면, 상기 연결구멍이 상기 셀의 제1 가스흐름부 일단부에 셀의 두께방향으로 양쪽을 관통하는 연결구멍이 형성되고, 타단부에 셀의 두께방향으로 상부쪽을 관통하는 연결구멍이 형성되어 인접한 다른 셀의 제1 가스흐름부와 연결된 것일 수 있다.
두번째 예로, 상기 셀의 제1 가스흐름부 일단부에 셀의 두께방향으로 양쪽을 관통하는 연결구멍이 형성되고, 타단부에 셀의 두께방향으로 하부쪽을 관통하는 연결구멍이 형성되어 인접한 다른 셀의 제1 가스흐름부와 연결될 수 있다.
세번째 예로, 상기 셀의 제1 가스흐름부 양단부에 셀의 두께방향으로 양쪽을 관통하는 연결구멍이 형성되어 인접한 다른 셀의 제1 가스흐름부와 연결될 수 있다.
네번째 예로, 상기 셀의 제1 가스흐름부 일단부에 셀의 두께방향으로 상부쪽을 관통하는 연결구멍이 형성되고, 타단부에 셀의 두께방향으로 하부쪽을 관통하는 연결구멍이 형성되어 인접한 다른 셀의 제1 가스흐름 채널과 연결될 수 있다.
본 발명의 셀은 상기에 제시한 연결구멍에 따른 셀의 형태에 한정되는 것이 아니며, 상기 예를 든 형태의 구성을 좌우로 대칭시켜 나타나는 형태까지도 포함할 수 있다.
상기에 제시한 연결구멍에 따른 다양한 셀이 적층된 셀스택의 제1 가스의 흐름은 셀의 선택 및 적층 순서에 따라서 다양하게 나타날 수 있으며, 적층된 셀스택의 제1가스의 흐름의 다양한 변화의 일 예는 도 4에 자세히 나타내었다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 1개 이상의 셀이 적층되는 경우, 상기 연결구멍에 의하여 두께방향으로 연속하여 연결되는 단위 셀이 적어도 3개 이상인 것을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 다수의 셀 중 적어도 3개의 셀이 상기 연결구멍에 의하여 연속으로 연결되는 경우, 적어도 2개 이상의 인접한 셀의 제1가스가 같은 방향으로 흐르기 때문에, 제1가스가 지그재그로 흐를 때 생겨나는 제1가스의 온도 및 농도가 점차 변화하는 것을 최소화시킬 수 있다.
다음 연결재(21)에 대해 설명한다.
본 발명의 연결재는 1개 이상의 셀들을 연결하는 역할과 최상하부 집전체에 인접한 셀을 연결하는 역할을 한다. 이뿐만 아니라 제 2가스 유입부를 통해 들어오는 가스, 예를 들어, 연료전지에서는 공기를 통과시키는 제 2가스 흐름부 역할도 한다.
보다 자세히 살펴보면, 상기 셀의 내부의 제 1가스가 1가스흐름부의 길이방향을 따라 흐르고, 상기 셀의 상부 및/또는 하부에 적층되어 있는 연결재는 제 2가스, 예를 들어 연료전지에서는 공기 또는 산소가 흐르는 제 2가스 흐름부로써, 상기 제1가스흐름부(31)에 교차되는 방향(폭방향)으로 제 2가스가 흐른다.
상기 연결재는 통상적으로 사용 가능한 것이면 무방하고, 바람직하게는 크로퍼, 금, 탄화규소, 탄화규소 섬유 및 은(Ag) 폼 중 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 평균두께는 1mm ~ 5mm일 수 있고, 상기 범위일 때, 전극과 반응하지 않고 연료전지 작동 중에 박리하지 않는 효과가 있다. 그리고 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 연결재를 집전체 및 각 셀 사이에 부착하기 위해서, 상기 연결재와 집전체 사이 및 상기 연결재와 셀 사이에 Ag 페이스트 붓으로 코팅층을 형성할 수 있다.
다음 실링재(22a, 22b)에 대해 설명한다.
본 발명의 실링재는 상기 연결재와 같이 1개 이상의 셀들을 연결하는 역할과 최상하부 집전체에 인접한 셀을 연결하는 역할을 한다. 구체적으로, 본 발명의 실링재는 1개 이상의 셀에 형성된 연결구멍 및 상기 집전체에 형성된 연결구멍을 실링하여, 제 1가스의 유출입을 할 수 있게 하는 연결관을 형성하는 역할을 한다.
상기 실링재는 통상적으로 사용가능한 실링재이면 무방하며, 바람직하게는 금, 은, 유리실링재 및 마이카 중 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 1개 이상의 셀들의 연결구멍을 실링할 때에는 금, 은 및 유리실링재 중 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 실링재를 사용할 수 있다.
그리고 최상하부의 집전체에 형성된 연결구멍과 상기 최상하부의 집전체에 인접한 셀의 연결구멍을 실링할 때에는 유리실링재 및 마이카 중 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 실링재를 사용할 수 있다.
한편, 상기 연결재는 1개 이상의 셀 사이 및 최상하부 집전체와 인접한 셀 사이에서 내부, 즉 중간부분을 연결하는 역할을 한다. 그리고 상기 실링재는 1개 이상의 셀 사이 및 최상하부 집전체와 인접한 셀 사이의 양단을 연결하는 역할을 한다.
따라서, 본 발명에서는 상기 연결재 및 실링재를 모두 사용하여야만, 평관형 고체산화물 셀스택의 일체화를 실현시킬 수 있다.
결론적으로, 상기 평관형 고체산화물 셀스택은 집전체 및 다수의 셀이 적층된 것이다. 이때, 상기 다수의 셀이 적층시, 하나의 셀의 하부와 다른 셀의 양극 사이에 연결재를 포함하여 적층하는 것이 바람직하며, 전기를 공급할 수 있도록 적층된 다수의 셀의 최상부와 최하부에 단자를 포함하는 집전체를 구비하는 것이 바람직하다.
상기 평관형 고체산화물 셀스택은 연료전지 및 수전해장치에 사용할 수 있으며, 상기 수전해장치는 연료전지에서 일어나는 반응의 역반응을 이용하여 수소연료를 발생시키는 장치로서, 양극에 물을 공급하고, 상단과 하단에 적층된 집전체를 통해 전기를 공급하여, 수소를 생산할 수 있는 장치이다.
다음 마이카 절연층(13)에 대해 설명한다.
본 발명의 마이카 절연층은 대용량 평관형 고체산화물 셀스택 제조시, 2개 이상의 평관형 고체산화물 셀스택을 수직방향으로 적층시킬 때, 사용되는 것으로써, 가스가 새는 것을 방지하는 역할을 한다. 그리고 상기 마이카 절연층은 평관형 고체산화물 셀스택의 사이뿐만 아니라 하우징과 인접한 평관형 고체산화물 셀스택 사이에도 포함한다.
한편, 종래에는 대용량 셀스택을 제공하는데 어려움이 있었고, 또한 제공하더라도 부분교체가 어려워 경제적으로 비용이 많이 소모된다는 문제점이 있었다.
그러나 본 발명에서는 상기 마이카 절연층을 사용함으로써, 대용량 평관형 고체산화물 셀스택에 포함되는 평관형 고체산화물 셀스택의 부분교체를 가능하게 하였다.
이는 상기 마이카 절연층은 컴프레시브 펄스를 주면 2 개 이상의 평관형 고체산화물 셀스택들을 압착하여 실링이 되어 대용량 평관형 고체산화물 셀스택을 제공할 수 있다. 그리고, 분리할 때는 압력을 제거하기만 하면, 평관형 고체산화물 셀스택들을 손쉽게 분리할 수 있다.
이와 같은 이유로 본 발명에서 제공하는 대용량 평관형 고체산화물 셀스택은 2개 이상의 평관형 고체산화물 셀스택을 일체화 시키는데 비용이 현저하게 감소하고, 기술적으로도 간소화할 수 있을 뿐만 아니라, 대용량 평관형 고체산화물 셀스택을 구성하는 평관형 고체산화물 셀스택의 부분교체가 가능하여, 경제적 효과를 가져올 수 있게 한다.
그리고 상기 제 1가스 유입부, 제 1가스 유출부 및 제 2가스 유입부는 대용량 평관형 고체산화물 셀스택에 공급되는 제 1가스 및 제2가스의 유입 또는 유출을 위한 관으로써, 통상적으로 사용가능한 것이면 사용가능하다.
이와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 의한 대용량 평관형 고체산화물 셀스택을, 연료전지로 사용될 경우에는 도 1을 참고하여 설명하면, 수소(또는 탄화수소)가 제1가스유입부(14)를 통해 최하부의 하우징을 통해 유입되어 최하측의 셀스택에 있는 다수의 셀의 제1가스흐름부 내를 시작으로 흐른 후, 최상측의 셀스택의 다수의 셀의 제 1가스 흐름부에서 합쳐진 후 이를 거쳐 최상부의 하우징의 제1가스유출부(15)를 통해 유출하게 된다. 한편, 상기 최상부 하우징의 제 2가스 유입부로 유입된 공기 또는 산소는 제2가스흐름부인 셀스택의 연결재 및 적층된 셀스택 사이의 간격을 흐르고, 이때, 상기 경로를 통해 흐르는 제1가스인 수소 또는 탄화수소는 상기 제 2가스와 반응하여 전기를 발생시킨다. 그리고 이때 발생한 물은 상기 제1가스유출부를 통해 유출하게 되고, 전기는 집전체의 단자를 통해 집전된다.
수전해장치로 사용될 경우에는 수증기가 제1가스유입부를 통해 유입하여 전기화학 반응, 즉 연료전지의 반응의 역반응을 하여 수소가 발생하고 제1가스 유출부를 통해 유출하게 된다.
본 발명의 다른 태양은 본 발명의 대용량 평관형 고체산화물 셀스택을 포함하는 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 수전해장치를 제공한다. 또한, 1개 이상의 대용량 평관형 고체산화물 셀스택을 포함하는 대용량 일체형 평관형 장치를 제공한다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능함은 물론이고, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 대용량 평관형 고체산화물 셀스택 11 : 하우징
12 : 평관형 고체산화물 셀스택 12a : 셀 12b : 집전체 12c : 단자
13 : 마이카 절연층 14 : 제 1가스 유입부 15 : 제 1가스 유출부
16 : 제 2가스 유입부 17 : 제 2가스 유출부 20a, 20b : 평관형 고체산화물 셀스택
21 : 연결재 22a, 22b : 실링재 23 : 코팅층 26 : 연결구멍
30 : 셀 31 : 제 1 가스 흐름부 40 : 대용량 일체형 평관형 장치

Claims (11)

  1. 최상부 및 최하부의 하우징;
    상기 하우징 사이에 위치하는 2개 이상의 평관형 고체 산화물 셀스택; 및
    상기 하우징과 상기 평관형 고체 산화물 셀스택 사이 및 상기 2개 이상의 평관형 고체 산화물 셀스택들의 각 사이에 개제된 마이카 절연층;을 포함하고,
    상기 하우징에 제 1 가스유입부, 제 1가스유출부 및 제 2가스 유입부가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 대용량 평관형 고체산화물 셀스택.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 2개 이상의 평관형 고체 산화물 셀스택은
    1개 이상의 평관형 고체산화물 셀스택 사이에 마이카 절연층이 수직방향으로 개제되어 적층되고,
    상기 수직방향으로 2개 이상이 적층된 평관형 고체산화물 셀스택은 일정간격을 두고 수평방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 대용량 평관형 고체산화물 셀스택.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징에 연결된 제 1가스 유입부, 제 1가스유출부 및 제 2가스 유입부는 하우징과 가장 인접한 평관형 고체산화물 셀스택과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 대용량 평관형 고체산화물 셀스택.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 최하부 하우징에 제 1 가스유입부가 연결되고, 최상부 하우징에 제 1가스유출부 및 제 2가스 유입부가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 대용량 평관형 고체산화물 셀스택.
  5. 청구항 4에 있어서,
    최하부 하우징에 연결된 제 1가스 유입부로부터 공급되는 제 1가스는 최하부 하우징과 인접한 평관형 고체산화물 셀스택의 최하부 집전체를 통해 유입되는 것을 특징으로 하는 대용량 평관형 고체산화물 셀스택.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 평관형 고체 산화물 셀스택은
    최상부 및 최하부의 단자를 포함하는 집전체;
    상기 집전체 사이에 1개 이상의 셀; 및
    상기 집전체와 셀 사이 및 1개 이상의 셀 사이에 연결재 및 실링재;를 포함하고,
    상기 셀은 내부에 제 1가스 흐름부가 구비되고 양말단이 밀봉된 음극; 및
    상기 음극에 코팅된 전해질층에 적층되어 구비된 양극;을 포함하고,
    상기 셀의 양단에는 두께 방향으로 상면 및 하면 중 선택되는 한면 이상에 1 개 이상의 셀들의 제 1가스 흐름부를 연통하기 위한 연결구멍을 포함하는 것을 특징으로 대용량 평관형 고체산화물 셀스택.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 셀은 세라믹이고,
    상기 연결재는 크로퍼, 금, 탄화규소, 탄화규소 섬유 및 Ag 폼 중 선택되는 어느 하나 이상을 포함하고,
    상기 실링재는 금, 은, 유리실링재 및 마이카 중 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 대용량 평관형 고체산화물 셀스택.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 셀의 연결구멍은 실링재로 실링하여 연결관을 형성하는 것을 특징으로 하는 대용량 평관형 고체산화물 셀스택.
  9. 청구항 1의 대용량 평관형 고체산화물 셀스택을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  10. 청구항 1의 대용량 평관형 고체산화물 셀스택을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 수전해장치.
  11. 1개 이상의 청구항 1의 대용량 평관형 고체산화물 셀스택을 포함하는 것을 특징으로 하는 대용량 일체형 평관형 장치.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020061551A1 (en) * 2018-09-23 2020-03-26 Massachusetts Institute Of Technology Molten metaphosphate electrolysis for production of white phosphorus
CN111799482A (zh) * 2020-07-15 2020-10-20 新地能源工程技术有限公司 一种固体氧化物燃料电池用电连接器及连接方法
CN112038660A (zh) * 2019-06-03 2020-12-04 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电堆

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102642175B1 (ko) * 2018-09-28 2024-02-28 주식회사 엘지화학 고체 산화물 연료전지 및 이의 제조 방법
KR102158384B1 (ko) * 2018-10-30 2020-09-22 한국에너지기술연구원 일체형 집전판을 이용한 고체산화물 연료전지, 수전해장치 및 이의 제조방법
EP3893300B1 (en) * 2020-04-07 2023-08-09 Korea Institute of Energy Research Flat tubular solid oxide fuel cell or water electrolysis cell with integrated current collector and manufacturing method of the same
KR20220039932A (ko) 2020-09-22 2022-03-30 주식회사케이세라셀 무인항공기용 마이크로 평관형 고체산화물 연료전지 단위셀 및 이를 이용한 스택 적층방법
KR102568359B1 (ko) 2023-02-07 2023-08-21 주식회사 시너지 연료전지 출력제어 시스템 및 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050021027A (ko) 2003-08-25 2005-03-07 한국에너지기술연구원 연료극 지지체식 평관형 고체산화물 연료전지 스택과 그제조 방법
US7351487B2 (en) 2002-05-29 2008-04-01 Kyocera Corporation Fuel cell

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7222406B2 (en) * 2002-04-26 2007-05-29 Battelle Memorial Institute Methods for making a multi-layer seal for electrochemical devices
KR100727684B1 (ko) * 2005-12-08 2007-06-13 학교법인 포항공과대학교 고체산화물 연료전지 모듈, 이를 이용한 연료전지 및 그제작방법
KR101418071B1 (ko) * 2012-04-06 2014-07-10 한국에너지기술연구원 평관형 고체산화물 셀 스택

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7351487B2 (en) 2002-05-29 2008-04-01 Kyocera Corporation Fuel cell
KR20050021027A (ko) 2003-08-25 2005-03-07 한국에너지기술연구원 연료극 지지체식 평관형 고체산화물 연료전지 스택과 그제조 방법

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020061551A1 (en) * 2018-09-23 2020-03-26 Massachusetts Institute Of Technology Molten metaphosphate electrolysis for production of white phosphorus
CN112038660A (zh) * 2019-06-03 2020-12-04 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池电堆
CN111799482A (zh) * 2020-07-15 2020-10-20 新地能源工程技术有限公司 一种固体氧化物燃料电池用电连接器及连接方法

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