KR20180076284A - 운전 중 개별 교체가 가능한 단위전지모듈을 포함하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈 - Google Patents

운전 중 개별 교체가 가능한 단위전지모듈을 포함하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈 Download PDF

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Abstract

운전 중에도 다수개의 단위전지모듈을 원터치에 의해 개별적으로 분리, 결합 또는 교체하는 것이 가능하게 설계되어 유지 보수 비용이 저렴하며, 하나 이상의 단위전지모듈을 연료이송패널로부터 분리시키는 경우에도 다른 단위전지모듈들의 정상적인 작동이 가능하여 뛰어난 발전 효율을 도모할 수 있는 운전 중 개별 교체가 가능한 단위전지모듈을 포함하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈에 대하여 개시한다.

Description

운전 중 개별 교체가 가능한 단위전지모듈을 포함하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈{STACK MODULE FOR FUEL BATTERY AND HIGH TEMPERATURE ELECTROLYSIS COMPRISING CELL BATTERY MODULES WHICH CAN INDIVIDUALLY CHANGE UNDER AN OPERATION}
본 발명은 운전 중 개별 교체가 가능한 단위전지모듈을 포함하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 천연가스, 석탄가스, 메탄올 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학 반응에 의해서 직접 전기에너지로 변환시키는 고효율의 청정 발전 기술이다. 이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 알칼리형(AFC, Alkaline Fuel Cell), 인산형(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산형(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) 및 고분자(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 연료전지로 분류된다.
고온 수전해를 위한 전형적인 장치는 700 ~ 1000℃에서 작동하는 고체산화물 연료전지(SOFC)기술을 응용한 것으로 고체 산화물 전기분해셀(Solid Oxide Electrolyzer Cell-SOEC)이라 불린다. 즉, 안정화 지르코니아(zirconia) 등을 산소이온 전도체의 전해질로 사용하여 750℃ 이상의 고온에서 수증기를 전해하는 방법으로 수소를 생산한다.
연료전지는 공기극(Cathode)에 산소가 공급되고 연료극(Anode)에 수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응 형태로 전기화학반응이 진행되면서 전기, 열, 및 물이 발생되어 공해를 유발하지 않으면서도 고효율로 전기에너지를 생산한다.
고체산화물 연료전지는 상대적으로 전해질의 위치제어가 쉽고, 전해질의 위치가 고정되어 있어서 전해질 고갈의 위험성이 없으며, 부식성이 약하여 소재의 수명이 길다는 장점으로 인하여 분산 발전용, 상업용 및 가정용으로서 각광을 받고 있다. 또한, 고체산화물 연료전지는 600 ~ 1000℃ 정도의 고온에서 작동되는 연료전지로서, 종래 여러 형태의 연료전지들 중 가장 효율이 높고 공해가 적을 뿐만 아니라, 연료 개질기를 필요로 하지 않고 복합발전이 가능하다는 여러 가지 장점을 지니고 있다.
한편, 이러한 고체산화물 연료전지는 단위셀만으로는 충분한 전압을 얻을 수 없는 바, 필요에 따라 스택 형태로 단위셀을 연결하여 사용하는데, 크게 튜브형과 평판형의 두 가지 형태로 구분된다. 튜브형은 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.
그러나, 상기와 같은 튜브형 스택은 일부 단위 셀에 문제가 발생한 경우에도 전체 연료전지 시스템의 작동을 정지 시키고 스택 전체에 대하여 유지 및 보수 작업을 하여야 하는 단점을 갖는다.
대한민국 공개특허 제10-2012-0008272호
본 발명은 종래기술의 상기와 같은 문제를 해소하기 위하여 안출된 것으로서,
운전 중에도 다수개의 단위전지모듈을 원터치에 의해 개별적으로 분리, 결합 또는 교체하는 것이 가능하게 설계되어 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈의 유지 보수 비용이 저렴하며, 하나 이상의 단위전지모듈을 연료이송패널로부터 분리시키는 경우에도 다른 단위전지모듈들을 포함한 연료전지 및 고온 수전해 스택 모듈의 정상적인 작동이 가능하므로 뛰어난 발전 효율을 제공한다.
또한, 다수개의 단위전지모듈을 집전함에 있어서 연료이송패널에 내장된 회로를 이용하여 개별적으로 전기적인 접지가 이루어지므로 단위전지모듈의 개별적인 컨트롤이 가능할 뿐만 아니라 집전 효율도 향상시킬 수 있다.
또한, 단위전지모듈을 개별적으로 커버하는 단위전지모듈 하우징을 장착하는 것에 의해 열 방출을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 단위전지모듈 내부에 구비된 열선에 의해 단위전지모듈을 개별적으로 컨트롤하는 것이 가능한 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은,
다수개의 단위전지모듈 및 상기 다수개의 단위전지모듈이 결합되는 연료이송 패널을 포함하며,
상기 다수개의 단위전지모듈은 각각 연료공급구, 공기공급구, 연료배출구 및 공기배출구를 구비하며,
상기 연료이송패널은 외벽에 연료공급구, 연료배출구, 공기공급구 및 공기배출구가 설치되고, 내부에 상기 연료공급구 및 연료배출구와 연결된 연료순환배관 및 상기 공기공급구 및 공기배출구와 연결된 공기순환배관을 구비하며,
상기 단위전지모듈이 연료이송패널에 결합되는 경우, 단위전지모듈의 연료공급구 및 연료배출구가 상기 연료순환배관에 결합하면서 연료순환배관의 연결를 끊고 동시에 끊어진 연료순환배관을 브릿지 시켜서 연료가 단위전지모듈의 내부를 통하여 순환하게 하며, 동시에 공기공급구 및 공기배출구가 상기 공기순환배관에 결합하면서 공기순환배관의 연결를 끊고 동시에 끊어진 공기순환배관을 브릿지 시켜서 공기가 단위전지모듈의 내부를 통하여 순환하게 하며,
상기 단위전지모듈이 연료이송패널로부터 분리될 경우, 연료순환배관 및 공기순환배관이 원래대로 다시 복원되는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈을 제공한다.
또한, 본 발명은
다수개의 단위전지모듈 및 상기 단위전지모듈이 고정되는 다수개의 단위전지 모듈 삽입홈이 구비된 연료이송패널을 포함하며,
상기 다수개의 단위전지모듈은 일단부에, 연료이송패널의 단위전지모듈 삽입홈에 삽입 및 분리가 가능하며 외벽에 연료공급구, 공기공급구, 연료배출구 및 공기배출구가 형성된 관타입 고정수단을 구비하며,
상기 연료이송패널은 외벽에 연료공급구, 연료배출구, 공기공급구 및 공기배출구를 구비하며,
상기 연료이송패널의 내부에 형성된 다수개의 단위전지모듈 삽입홈들은 각각 연료공급구, 연료배출구, 공기공급구 및 공기배출구를 구비하며,
상기 각각의 삽입홈의 연료공급구 및 공기공급구는 인접하는 하나의 삽입홈의 연료배출구 및 공기배출구와 각각 연료순환배관 및 공기순환배관에 의해 연통되고, 연료배출구 및 공기배출구는 인접하는 다른 하나의 삽입홈의 연료공급구 및 공기공급구와 각각 연료순환배관 및 공기순환배관에 의해 연통되며,
연료이송패널 전체 삽입홈 중의 어느 하나의 삽입홈의 연료공급구 및 공기공급구는 연료이송패널 외벽의 연료공급구 및 공기공급구와 각각 연료순환배관 및 공기순환배관에 의해 연통되며, 다른 하나의 삽입홈의 연료배출구 및 공기배출구는 연료이송패널 외벽의 연료배출구 및 공기배출구와 각각 연료순환배관 및 공기순환배관에 의해 연통되며,
상기 삽입홈에는 단위전지모듈이 삽입되지 않은 상태에서 삽입홈에 구비된 연료공급구와 연료배출구 및 공기공급구와 공기배출구를 각각 연통되게 연결시키는 2개의 배관을 포함한 배관플레이트가 구비되며, 상기 배관플레이트는 탄성부재를 구비하여 단위전지모듈이 삽입되는 경우 압력에 의해 하방으로 밀려 내려가고, 단위전지모듈이 분리되는 경우 탄성에 의해 상승하여 삽입홈에 포함된 연료공급구와 연료배출구 및 공기공급구와 공기배출구를 각각 연통되게 연결시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈은 운전 중에도 다수개의 단위전지모듈을 원터치에 의해 개별적으로 분리, 결합 또는 교체하는 것이 가능하게 설계되므로 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈의 유지 보수 비용이 저렴하며, 하나 이상의 단위전지모듈을 연료이송패널로부터 분리시키는 경우에도 다른 단위전지모듈들을 포함한 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈의 정상적인 작동이 가능하므로 뛰어난 발전 효율을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈은 다수개의 튜브형 단위전지모듈을 집전함에 있어서 연료이송패널에 내장된 회로를 이용하여 개별적으로 전기적인 접지가 이루어지므로 단위전지모듈의 개별적인 컨트롤이 가능할 뿐만 아니라 집전 효율도 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈은 튜브형 단위전지모듈을 개별적으로 커버하는 단위전지모듈 하우징을 장착하는 것에 의해 열 방출을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 단위전지모듈 내부에 구비된 열선에 의해 단위전지모듈을 개별적으로 컨트롤하는 것이 가능하여 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈을 나타낸 도면이다.
도 2 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 단위전지모듈을 도시한 것이다((a): 전면도, (b): 우측면도).
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 단위전지모듈의 하부구조를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료이송패널의 구조를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료이송패널에 포함된 하나의 셀의 구조를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료이송패널에 포함된 하나의 셀을 도시한 단면도이다((a): 전면도, (b): 우측면도).
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료이송패널에 포함된 하나의 셀에 튜브형 단위전지모듈의 관타입 고정수단이 삽입된 형태를 도시한 단면도이다((a): 전면도, (b): 우측면도).
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈로서 하나의 튜브형 단위전지모듈이 분리된 형태를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 단위전지모듈의 상부 구조를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈로서 단위전지모듈 하우징을 구비한 형태를 나타낸 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 단위전지모듈의 결합 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 단위전지 모듈의 가스 이동경로를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지기능 및 구성에 대한 구체적 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.
아래 설명과 도면은 당업자가 설명되는 장치와 방법을 용이하게 실시할 수 있도록 특정 실시예를 예시한다. 다른 실시예는 구조적, 논리적으로 다른 변형을 포함할 수 있다. 개별 구성 요소와 기능은 명확히 요구되지 않는 한, 일반적으로 선택될 수 있으며, 과정의 순서는 변할 수 있다. 몇몇 실시예의 부분과 특징은 다른 실시예에 포함되거나 다른 실시예로 대체될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈을 나타낸 도면이고, 도 2 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 단위전지모듈을 도시한 것이((a): 전면도, (b): 우측면도)며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 단위전지모듈의 하부구조를 도시한 사시도이다.
또한, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료이송패널의 구조를 도시한 사시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료이송패널에 포함된 하나의 셀의 구조를 도시한 사시도이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료이송패널에 포함된 하나의 셀을 도시한 단면도((a): 전면도, (b): 우측면도)이다.
또한, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료이송패널에 포함된 하나의 셀에 튜브형 단위전지모듈의 관타입 고정수단이 삽입된 형태를 도시한 단면도((a): 전면도, (b): 우측면도)이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈로서 하나의 튜브형 단위전지모듈이 분리된 형태를 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 단위전지모듈의 상부 구조를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명은 다수개의 단위전지모듈(10) 및 상기 다수개의 단위전지모듈(10)이 결합되는 연료이송패널(20)을 포함한다.
상기 다수개의 단위전지모듈(10)은 각각, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 연료공급구(11-1), 공기공급구(11-3), 연료배출구(11-2) 및 공기배출구(11-4) 를 구비한다.
상기 연료이송패널(20)은, 도 4 및 도5에 도시된 바와 같이, 외벽에 연료공급구(20-1), 연료배출구(20-2), 공기공급구(20-3) 및 공기배출구(20-4)가 설치되고, 내부에 상기 연료공급구(20-1) 및 연료배출구(20-2)와 연결된 연료순환배관(22-1) 및 상기 공기공급구(20-3) 및 공기배출구(20-4)와 연결된 공기순환배관(22-2)을 구비한다.
상기 단위전지모듈(10)이 연료이송패널(20)에 결합되는 경우, 단위전지모듈의 연료공급구(20-1) 및 연료배출구(20-2)가 상기 연료순환배관(22-1)에 결합하면서 연료순환배관의 연결를 끊고 동시에 끊어진 연료순환배관을 브릿지 시켜서 연료가 단위전지모듈(10)의 내부를 통하여 순환하게 하며, 동시에 공기공급구(20-3) 및 공기배출구(20-4)가 상기 공기순환배관(22-2)에 결합하면서 공기순환배관의 연결를 끊고 동시에 끊어진 공기순환배관을 브릿지 시켜서 공기가 단위전지모듈(10)의 내부를 통하여 순환하게 된다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈은 단위전지모듈(10)이 연료이송패널(20)로부터 분리될 경우, 연료순환배관(22-1) 및 공기순환배관(22-2)이 원래대로 다시 복원되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈을 구성하는 구성요소들에 대해서는 상기 기술된 기술적 특징을 구현할 수 있는 것이라면 이 분야에 공지되어 있는 기술적 구성을 제한 없이 채용할 수 있다. 또한, 하기 구체적인 실시예들에서 기술되는 내용들도 모두 적용될 수 있다.
본 발명에서 단위전지모듈의 형태는 특별히 한정되지 않으며, 이 분야에서 공지된 형태가 모두 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈에서 고온 수전해는 예를 들어, 고체산화물 연료전지(SOFC) 스택 모듈을 이용하여 수행될 수 있다.
이하에서, 본 발명의 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈의 더욱 구체적인 형태를 소개한다. 본 발명은, 도 1 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 다수개의 튜브형 단위전지모듈(10) 및 상기 단위전지모듈(10)이 고정되는 다수개의 단위전지모듈 삽입홈(21)이 구비된 연료이송패널(20)를 포함한다.
상기 다수개의 단위전지모듈(10)은, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 일단부에, 연료이송패널(20)의 단위전지모듈 삽입홈(21)에 삽입 및 분리가 가능하며 외벽에 연료공급구(11-1), 공기공급구(11-3), 연료배출구(11-2) 및 공기배출구(11-4)가 형성된 관타입 고정수단(11)을 구비한다.
상기 연료이송패널(20)은, 도 4 및 도5에 도시된 바와 같이, 외벽에 연료공급구(20-1), 연료배출구(20-2), 공기공급구(20-3) 및 공기배출구(20-4)를 구비한다.
상기 연료이송패널(20)의 내부에 형성된 다수개의 단위전지모듈 삽입홈(21)들은 각각 연료공급구(21-1), 연료배출구(21-2), 공기공급구(21-3) 및 공기배출구(21-4)를 구비한다.
각각의 삽입홈(21)의 연료공급구(21-1) 및 공기공급구(21-3)는 인접하는 하나의 삽입홈(21)의 연료배출구(21-2) 및 공기배출구(21-4)와 각각 연료순환배관(22-1) 및 공기순환배관(22-2)에 의해 연통되고, 연료배출구(21-2) 및 공기배출구(21-4)는 인접하는 다른 하나의 삽입홈(21)의 연료공급구(21-1) 및 공기공급구(21-3)와 각각 연료순환배관(22-1) 및 공기순환배관(22-2)에 의해 연통된다.
연료이송패널(20) 전체 삽입홈(21) 중의 어느 하나의 삽입홈(21)의 연료공급구(21-1) 및 공기공급구(21-3)는 연료이송패널(20) 외벽의 연료공급구(20-1) 및 공기공급구(20-3)와 각각 배관(22)에 의해 연통되며, 다른 하나의 삽입홈(21)의 연료배출구(21-2) 및 공기배출구(21-4)는 연료이송패널(20) 외벽의 연료배출구(20-2) 및 공기배출구(20-4)와 각각 배관(22)에 의해 연통된다.
상기 삽입홈(21)에는, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 단위전지모듈(10)이 삽입되지 않은 상태에서 삽입홈(21)에 구비된 연료공급구(21-1)와 연료배출구(21-2) 및 공기공급구(21-3)와 공기배출구(21-4)를 각각 연통되게 연결시키는 2개의 배관(23-1, 23-2)을 포함한 배관플레이트(23)가 구비되며, 상기 배관플레이트(23)는 탄성부재(24)를 구비하여 단위전지모듈(10)이 삽입되는 경우 압력에 의해 하방으로 밀려 내려가고, 단위전지모듈(10)이 분리되는 경우 탄성에 의해 상승하여 삽입홈(21)에 포함된 연료공급구(21-1)와 연료배출구(21-2) 및 공기공급구(21-3)와 공기배출구(21-4)를 각각 연통되게 연결시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈에 관한 것이다.
상기에서 연료이송패널(20)은 직육면체 형상을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 다양한 형상이 적용될 수 있다. 이러한 다수개의 단위전지모듈 삽입홈(21)은 다수개의 튜브형 단위전지모듈(10)의 수와 동일한 수로 설계되는 것이 바람직하다.
도 4에서는 다수개의 단위전지모듈 삽입홈(21)이 2 × 5 매트릭스 배열로 설계된 것으로 도시하였으나, 이는 예시적인 것으로 다수개의 단위전지모듈 삽입홈(21)은 설계 목적에 따라 다양한 형태로 설계 변경될 수 있다. 즉, 다수개의 단위전지모듈 삽입홈(21)은 연료이송패널(20)의 내부에 적어도 둘 이상이 1열 이상으로 구비될 수 있다.
상기에서 탄성부재(24)는 특별히 한정되지 않으며, 이 분야에서 공지된 것이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 스프링 등의 탄성부재가 사용될 수 있다.
상기에서 연료순환배관(22-1) 및 공기순환배관(22-2)은 연료이송패널(20)의 내부에 삽입 배치될 수 있다.
상기 다수개의 튜브형 단위전지모듈(10)은 연료이송패널(20)의 삽입홈(21)에 끼움 결합될 수 있다. 이와 같이, 원터치형으로 설계되는 경우 필요에 따라 수시로 개별적으로 단위전지모듈(10)을 결합, 분리 및 교체하는 것이 가능하여 유지 보수가 용이한 구조적인 이점을 갖는다.
본 발명의 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈에서 연료로는 이 분야에서 공지된 것들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 메탄계 가스, 암모니아계 가스, CO2 가스, CO 가스 등이 이용될 수 있다. 예를 들어, 단위전지모듈(10)의 내부로 CO2 및 CO 중 1종 이상의 가스가 공급되는 것에 의해 SOFC(solid oxide fuel cell) 반응과 SOEC(solid oxide electrolyzer cell) 반응이 가역적으로 이루어질 수 있으며, 이 결과 충방전이 가능하여 대용량의 에너지를 저장할 수 있게 된다.
또한, 연료로 메탄계, 암모니아계 합성 가스가 공급되는 경우, SOFC(solid oxide fuel cell) 반응과 SOEC(solid oxide electrolyzer cell)을 활용하여 고온 산소이온 전도체의 전기화학 막반응을 통해 메탄계, 암모니아계 합성가스를 생산하는 것이 가능하다.
본 발명의 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈은, 도 4 및 도 8에 도시된 바와 같이, 단위전지모듈(10)들 중의 하나 이상을 고장 등의 이유로 연료이송패널(20)로부터 분리해야 하는 경우에도 연료전지의 작동을 멈추지 않은 상태에서 분리하는 것이 가능한 특징을 갖는다.
즉, 연료이송패널(20)에 결합되어 있는 단위전지모듈(10)들 중의 하나 이상이 분리되더라도, 단위전지모듈(10)이 분리된 단위전지모듈 삽입홈(21)은 2개의 배관(23-1, 23-2)을 포함한 배관플레이트(23)가 탄성에 의해 상승하면서 연료공급구(21-1)와 연료배출구(21-2) 및 공기공급구(21-3)와 공기배출구(21-4)를 각각 연통되게 연결시키므로, 연료전지는 남아 있는 단위전지모듈(10)들에 의해 정상적으로 계속 작동될 수 있게 된다.
또한, 상기 분리된 단위전지모듈(10)이 정상적인 기능을 수행할 수 있는 경우, 연료전지의 작동을 멈추지 않은 상태에서도 필요한 때 언제든지 분리된 단위전지모듈(10)를 연료이송패널(20)에 결합하여 사용할 수 있다.
그러므로 본 발명의 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈은 개별적인 단위전지모듈(10)에 대한 작동 불량이 발생하는 경우에도 연료전지의 작동을 유지한 상태에서 편리하게 단위전지모듈(10)의 개별적인 유지 보수를 수행할 수 있으므로 유지 보수료가 저렴하며, 발전효율이 매우 우수한 특징을 갖는다.
본 발명의 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈에 있어서, 튜브형 단위전지모듈(10)의 형태는 상기에 기술한 기능을 수행할 수 있는 형태인 경우에 특별히 한정되지 않는다.
상기 튜브형 단위전지모듈(10)의 형태를 구체적으로 예를 들어 설명하면 도 9에 도시된 바와 같다. 상기 튜브형 단위전지모듈(10)은 연료전극(13-1), 전해질층(13-2) 및 공기전극(13-3)이 이 순서로 적층된 튜브형 전극적층체(13)를 포함할 수 있다. 상기 전극적층체에서 연료전극(13-1)은 제일 안쪽의 튜브를 형성하여 그 위에 전해질층(13-2) 및 공기전극(13-3)이 적층되게 하는 지지체로서도 작용할 수 있다. 또한 공기전극(13-3)이 제일 안쪽의 튜브를 형성하여 그 위에 전해질층(13-2) 및 연료전극(13-1)이 적층되게 하는 지지체로서도 작용할 수도 있다.
상기에서 전극적층체(13)의 형태는 특별히 한정되지 않으며, 이 분야에서 사용되고 있는 형태가 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 튜브형 단위전지모듈(10)은 상기 튜브형 전극적층체(13)를 내부에 수용하는 외부튜브(14)를 더 포함할 수 있다. 상기 외부튜브(14)는 전극적층체(13)를 외부에서 밀봉하는 기능을 수행할 수 있다.
상기 튜브형 단위전지모듈(10)은 튜브형 전극적층체(13)의 중심부를 통하여 연료가스가 공급되며, 외부튜브(14)를 통하여 공기가 공급될 수 있다. 이 경우 외부튜브(14)가 구비되지 않는 경우에는 튜브형 단위전지모듈(10)들에 공통적으로 외부에서 공기를 공급하게 된다.
그러나, 튜브형 전극적층체(13)의 중심부를 통하여 가스가 공급되게 하고, 외부튜브(14)를 통하여 연료가 공급되게 구성하는 것도 가능하다. 다만 효율상 면적이 넓은 외부튜브(14)의 내부를 통하여 공기가 공급되게 하는 것이 더 바람직할 수 있다.
상기 튜브형 전극적층체(13)의 내부에는 다공성의 지지체 튜브(12)가 더 포함될 수 있으며, 이 경우 상기 다공성의 지지체 튜브(12)는 집전체 기능을 수행할 수도 있다.
상기 외부튜브(14)의 내부 또는 외부에는 단위전지모듈(10)을 가열하기 위한 열선(미도시)이 더 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 열선은 외부튜브(14)의 외표면에 간격을 뒤고 나선형으로 권취되거나 외부튜브(14)의 내벽에 나선형으로 매립되는 방식으로 구비될 수 있다. 이러한 열선은 단위전지모듈(10)을, 예를 들어, 600 ~ 800℃의 온도로 가열하도록 설정되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이와 같이 외부튜브(14)에 열선을 장착하는 경우 별도의 히팅장치가 불필요하므로 단위전지모듈의 부피를 감소시킬 수 있다.
상기 외부튜브(14)는 고온에서 내열성이 우수하면서 밀봉성이 뛰어난 재질로 형성하는 것이 바람직하며, 예를 들어, 쿼츠(qutze), 알루미나(alumina) 등의 재질이 사용될 수 있다.
상기 외부튜브(14) 또는 연료전지 지지체 튜브(12)의 내부에는 단위전지모듈의 온도를 감지하는 역할을 수행하는 써모커플(미도시)이 내장될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 개별 컨트롤 방식의 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈은 상기 외부튜브(14)에 의해 단위 셀의 중공 내부로 공급되는 연료를 완벽하게 밀봉시키는 것이 가능해짐으로써, SOFC(solid oxide fuel cell) 반응 및 SOEC(solid oxide electrolyzer cell) 반응에 의한 가역성 확보가 가능하여 충방전이 가능할 뿐만 아니라, 완벽한 밀봉 구조의 설계로 인해 종래의 SOFC/SOEC 스택에서와 같이 합성가스의 회수 및 합성가스 발생시 탄소의 침착으로 인해 내구성 저하 및 집전 효율 저하 등이 문제를 보완할 수 있으며, 메탄의 합성가스는 물론 암모니아를 생산할 수 있는 구조를 갖는다.
도 3 및 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈에 있어서, 상기 고정플레이트(17)에는 전기배선컨넥트단자(19)가 관타입 고정수단(11) 측부에 연료이송패널에 삽탈 가능하게 돌출하여 설치될 수 있다. 상기 연료전극(13-1)의 두 지점으로부터 연장된 전기배선(19-1) 및 공기전극(13-2)의 두 지점으로부터 연장된 전기배선(19-1)은 상기 전기배선컨넥트단자(19)의 개별단자에 연결될 수 있다. 또한, 상기 열선의 양단에서 연장된 전기배선 및 써모커플에서 연장된 전기배선도 상기 전기배선컨넥트단자(19)의 개별단자에 연결될 수 있다.
상기 연료이송패널(20)의 단위전지모듈 삽입홈(11) 각각의 측부에는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 전기배선컨넥트단자(19)가 삽입될 수 있는 전기배선컨넥트 단자 수용홈(25)이 더 구비될 수 있다(도 5 참고).
상기 전기배선컨넥트단자 수용홈들(25)은 연료이송패널(20) 내부를 통하여 전기배선에 의해 다른 전기배선컨넥트단자 수용홈들과 연결되어 다수개의 단위전지모듈들을 연결시키거나, 개별적으로 릴레이를 통해서 중앙 제어기(cpu)에 연결될 수 있다.
상기 전기배선들이 개별적 릴레이를 통해서 중앙 제어기(cpu)에 연결되는 경우에는 소프트웨어 및 회로 설계를 통해 개별 단위전지모듈의 온도 히팅을 모니터링하고 컨트롤할 수 있으며 개별적으로 연료전극 및 공기전극에 전류를 집전하거나 공급할 수 있으며, 개별 회로에서 각각의 셀을 다시 병렬 또는 직렬로 연결하여 발전을 시킬 수 있다. 그러므로 본 발명의 실시예에 따른 개별 컨트롤 방식의 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈은 개별 히팅 컨트롤 방식으로 구동하는 것이 가능한 장점을 갖는다.
또한, 다수개의 단위전지모듈(10)을 집전함에 있어서 연료이송패널(20) 에 내장된 회로를 이용하여 다수개의 단위전지모듈(10)이 개별적으로 전기적인 접지가 이루어지므로 집전 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 별도의 인터 커넥터를 설치할 필요가 없어 구조 단순화를 도모할 수 있다.
상기 연료전극(13-1) 및 공기전극(13-3) 각각으로는, 이 분야에 공지된 것이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 은 백금, 니켈, 팔라듐, 은, 란타늄, 페로브스카이트계 산화물, 이트륨 또는 스칸듐이 도핑된 지르코니아, 가돌리늄(gadolinium), 사마륨(samarium), 란타늄(lanthanium), 이테르븀(ytterbium) 및 네오디뮴(neodymium) 중 1종 이상이 도핑된 세리아를 포함하는 산소이온 전도체; 제올라이트, 란타늄 또는 칼슘이 도핑된 스트론튬 망간 산화물(LSM); 란타늄 스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF); 산화니켈(NiO); 텅스텐 카바이드; Pd; Pd-Ag 합금; 및 V 중 1종 이상을 포함하는 수소이온 전도성 금속이 사용될 수 있다.
전해질층(13-2)으로는, 이 분야에 공지된 것이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 은 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)) 등이 이용될 수 있다.
본 발명의 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈에 있어서, 튜브형 단위전지모듈(10)은, 도 2, 도 3, 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 튜브형 전극적층체(13) 및 외부튜브(14)의 일단부를 커버하며, 연료공급구(15-1) 및 공기공급구(15-2)가 구비된 제1캡(15); 상기 튜브형 전극적층체(13) 및 외부튜브(14)의 타단부를 커버하며, 연료배출구(16-1) 및 공기배출구(16-2)가 구비된 제2캡(16); 일면에 상기 제1캡(15)이 고정되며 타면에 관타입 고정수단(11)이 고정된 고정플레이트(17): 및 상기 제1캡(15)의 연료공급구(15-1)와 관타입 고정수단(11)의 연료공급구(11-1)를 연결하는 제1배관(18-1), 제1캡(15)의 공기공급구(15-2)와 관타입 고정수단(11)의 공기공급구(11-3)를 연결하는 제2배관(18-3), 제2캡(16)의 연료배출구(16-1)와 관타입 고정수단(11)의 연료배출구(11-2)를 연결하는 제3배관(18-2), 및 제2캡(16)의 공기배출구(16-2)와 관타입 고정수단(11)의 공기배출구(11-4)를 연결하는 제4배관(18-4)을 포함하는 배관부;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1배관 내지 제4배관(18-1, 18-3, 18-2, 18-4)은 상기 플레이트(17)를 관통하여 연결될 수 있다.
상기 단위전지모듈(10)의 관타입 고정수단(11)에는, 도 2, 도 3, 및 도 7에 도시된 바와 같이, 관타입 고정수단(11)이 연료이송패널(20)의 내부에 형성된 단위전지모듈 삽입홈(21)에 삽입되는 경우 이들의 결합이 견고하게 유지되게 하기 위한 후크(11-5)가 더 구비될 수 있다. 도 2에서 (a)는 전면도를 나타내며, (b)는 우측면도를 나타낸다.
상기 고정플레이트(17)에는, 도 10에 도시된 바와 같이, 단위전지모듈을 커버할 수 있는 단위전지모듈 하우징(30)이 더 구비될 수 있다. 이와 같이 개별 단위전지모듈 하우징이 구비되는 경우에는 단위전지모듈의 열 방출을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 개별적인 히팅에 의해 단위전지모듈을 개별적으로 컨트롤하는 것이 가능하여 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
본 발명의 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈에 있어서, 상기 관타입 고정수단(11)의 외벽에 형성된 연료공급구(11-1), 공기공급구(11-3), 연료배출구(11-2) 및 공기배출구(11-4)에는 실링부재가 더 구비될 수 있다.
또한, 연료이송패널(20)의 내부에 형성된 다수개의 단위전지모듈 삽입홈(21)에 구비된 연료공급구(21-1), 연료배출구(21-2), 공기공급구(21-3) 및 공기배출구(21-4)에는 실링부재(26)가 더 구비될 수 있다(도 6 및 도 7 참고).
본 발명의 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈은 특성이 동일한 다수개의 단위전지모듈을 사용하는 것뿐만 아니라, 각각 특성이 다른 단위전지모듈들을 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 4에서 연료이송패널(20)에 마련된 단위전지모듈 삽입홈(21)들에 순차적으로 연료효율이 다른 단위전지모듈들을 결합하여 전체 연료이용 효율이 100%가 되도록 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈을 구성하는 것도 가능하다.
구체적으로, 1번 단위전지모듈에 공급되는 연료는 수소가 100%일 수 있지만 1번 단위전지모듈을 거쳐서 나온 연료는 단위전지의 발전에 따라 수소와 스팀(수분)을 포함하게 된다. 따라서 상기 1번 단위전지모듈에 이어서 연결된 2번 단위전지모듈에는 수소와 스팀(수분)을 포함한 연료가 공급되므로, 2번 단위전지모듈로는 1번 단위전지모듈과 출력밀도성능이 다른 것을 배치하여 전체 연료이용율을 향상시킬 수 있다. 이러한 형태는 뒤에 이어서 연결되는 3번 이후에 단위전지모듈에도 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈이 2개 이상 결합되어 이루어지는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈 적층체를 제공한다.
상기 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈은 수평 적층 방식으로 적층되거나, 또는 수직 적층 방식으로 적층될 수 있다. 또한, 수직 적층 및 수평 적층이 혼합된 수평/수직 혼합형 적층 방식으로 적층될 수도 있다.
상기 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈 사이의 연료공급구, 연료배출구, 공기공급구, 및 공기 배출구의 연결은 이 분야에서 통상적으로 행해지는 방법으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은
다수개의 단위전지모듈(10) 및 상기 다수개의 단위전지모듈이 결합되는 연료이송패널(20)을 포함하며,
상기 다수개의 단위전지모듈(10)은 각각, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 연료공급구(11-1), 공기공급구(11-3), 연료배출구(11-2) 및 공기배출구(11-4) 를 구비하며,
상기 연료이송패널(20)은, 도 4 및 도5에 도시된 바와 같이, 외벽에 연료공급구(20-1), 연료배출구(20-2), 공기공급구(20-3) 및 공기배출구(20-4)가 설치되고, 내부에 상기 연료공급구(20-1) 및 연료배출구(20-2)와 연결된 연료순환배관(22-1) 및 상기 공기공급구(20-3) 및 공기배출구(20-4)와 연결된 공기순환배관(22-2)을 구비하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈에 있어서,
상기 단위전지모듈(10)을 연료이송패널(20)에 결합시키는 경우, 단위전지모듈의 연료공급구(20-1) 및 연료배출구(20-2)를 상기 연료순환배관(22-1)에 결합하여 연료순환배관의 연결를 끊고 동시에 끊어진 연료순환배관을 브릿지 시켜서 연료가 단위전지모듈의 내부를 통하여 순환하게 하며, 단위전지모듈(10)의 공기공급구(20-3) 및 공기배출구(20-4)를 상기 공기순환배관(22-2)에 결합하여 공기순환배관의 연결를 끊고 동시에 끊어진 공기순환배관을 브릿지 시켜서 공기가 단위전지모듈(10)의 내부를 통하여 순환하게 하며,
상기 단위전지모듈(10)을 연료이송패널(20)로부터 분리시킬 경우, 연료순환배관(22-1) 및 공기순환배관(22-2)을 원래대로 다시 복원시키는 것을 특징으로 하는 단위전지모듈의 연료이송패널에 대한 결합 및 분리방법을 제공한다.
상기 방법에는 위에서 상술한 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈에 관한 내용이 모두 적용될 수 있다. 그러므로 중복되는 내용의 기재는 생략한다.
한편, 도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 단위전지모듈의 결합 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 단위전지모듈(도 9의 10)은 튜브 형상의 전극적층체(13)와, 튜브 형상의 전극적층체(13)와 일정 간격으로 이격되며, 전극적층체(13)의 내부 중심에 삽입되는 다공성 지지체 튜브(12)를 포함할 수 있다.
이때, 다공성 지지체 튜브(12)는 중공 구조의 튜브 몸체(12-1)와, 튜브 몸체(12-1)의 중공 내부 중앙 부분에 배치된 격벽(12-2)과, 격벽(12-2)과 이격된 상측 및 하측으로 튜브 몸체(12-1)의 일부를 각각 관통하는 제1 및 제2 개구(G1, G2)를 갖는다. 이에 따라, 다공성 지지체 튜브(12)는 격벽(12-2)에 의해 중앙 부분이 막힌 구조를 갖되, 제1 및 제2 개구(G1, G2)에 의해 일부가 열린 구조를 갖는다.
전극적층체(13)는 다공성 지지체 튜브(12)와 일정한 간격으로 이격 배치되며, 양측 가장자리가 내부 씰링재(45)에 의해 씰링 처리되어 다공성 지지체 튜브(12)에 고정된다. 이 결과, 전극적층체(13)의 내부는 밀폐 구조를 갖게 된다. 이와 같이, 내부 씰링재(45)로 전극적층체(13)의 가장자리를 씰링하는 것에 의해, 다공성 지지체 튜브(12)의 중공 내부와 전극적층체(13)의 내부를 순환하는 연료가스는 전극적층체(13)와 외부튜브(도 13의 14) 사이의 공간을 순환하는 공기와 서로 혼합될 염려가 없게 된다.
이러한 전극적층체(13)는, 도 9 및 도 12에 도시된 바와 같이, 연료전극(13-1), 전해질층(13-2) 및 공기전극(13-3)이 차례로 적층되는 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 전극적층체(13)의 내면에 연료전극(13-1)이 배치되고, 전극적층체(13)의 외면에 공기전극(13-3)이 배치될 수 있다.
또한, 튜브형 단위전지모듈은 연료전극 연결선(40) 및 공기전극 연결선(42)을 더 포함할 수 있다. 이때, 연료전극 연결선(40)은 다공성 지지체 튜브(12)의 외주면에 코일링되어 전극적층체(13)의 연료전극(13-1)과 전기적으로 접속된다. 또한, 공기전극 연결선(42)은 전극적층체(13)의 외주면에 코일링되어 전극적층체(13)의 공기전극(13-3)과 전기적으로 접속된다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 단위전지 모듈의 가스 이동경로를 설명하기 위한 도면이다. 이때, 도 13은 튜브형 단위전지모듈에서 연료가스의 이동 경로를 나타낸 것이고, 도 14는 튜브형 단위전지모듈에서 공기의 이동 경로를 나타낸 것이다.
먼저, 도 13에 도시된 바와 같이, 튜브 몸체(12-1) 하단의 중공 내부로 연료가스가 공급되면, 다공성 지지체 튜브(12)의 격벽(12-2)에 의해 상측 방향으로의 연료가스 흐름이 차단되면서 격벽(12-2)과 이격된 하측에 배치되는 제2 개구(G2)에 의해 다공성 지지체 튜브(12)와 전극적층체(13)의 사이 공간으로 연료가스가 확산되어 공급된 후, 격벽(12-2)과 이격된 상측에 배치되는 제1 개구(G1)를 통하여 다시 튜브 몸체(12-1) 상단으로 연료가스가 빠져나가게 된다. 이 결과, 다공성 지지체 튜브(12)와 전극적층체(13)의 사이 공간으로 유입되는 연료가스의 기체확산으로 전극적층체(13)의 내면에 배치되는 연료전극(도 9의 13-1)이 연료가스와 반응하게 된다.
한편, 도 14에 도시된 바와 같이, 공기공급구(15-2)를 통해 공급되는 공기는 전극적층체(13)와 외부튜브(14)의 사이 공간으로 유입되어 상측으로 이동한 후, 공기배출구(16-2)를 통해 외부로 배출된다. 이 결과, 전극적층체(13)와 외부튜브(14) 사이의 공간으로 유입되는 공기는 전극적층체(13)의 외면에 배치되는 공기전극(도 9의 13-3)과 반응하게 된다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련되어 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10 : 단위전지모듈 11 : 관타입 고정수단
11-1 : 연료공급구 11-2 : 연료배출구
11-3 : 공기공급구 11-4 : 공기배출구
12 : 다공성 지지체 튜브 13 : 전극적층체
13-1 : 연료전극 13-2 : 전해질층
13-3 : 공기전극 14 : 외부튜브
15 : 제1캡 15-1 : 연료공급구
15-2 : 공기공급구 15-3 : 전기배선인출구
15-4 : 온도제어배선인출구 11-5 : 후크
16 : 제2캡 16-1 : 연료배출구
16-2 : 공기배출구 16-3 : 전기배선인출구
17 : 고정플레이트 18-1 : 제1배관
18-2 : 제3배관 18-3 : 제2배관
18-4 : 제4배관 19 : 전기배선컨넥트단자
19-1 : 전기배선 20 : 연료이송패널
20-1 : 연료공급구 20-2 : 연료배출구
20-3 : 공기공급구 20-4 : 공기배출구
21 : 단위전지모듈 삽입홈 21-1 : 연료공급구
21-2 : 연료배출구 21-3 : 공기공급구
21-4 : 공기배출구 22-1 : 연료순환배관
22-2 : 공기순환배관 23 : 배관플레이트
23-1, 23-2 : 배관 24 : 탄성부재
25 : 전기배선컨넥트단자 수용홈 30 : 단위전지모듈 하우징

Claims (18)

  1. 다수개의 단위전지모듈 및 상기 다수개의 단위전지모듈이 결합되는 연료이송패널을 포함하며,
    상기 다수개의 단위전지모듈은 각각 연료공급구, 공기공급구, 연료배출구 및 공기배출구를 구비하며,
    상기 연료이송패널은 외벽에 연료공급구, 연료배출구, 공기공급구 및 공기배출구가 설치되고, 내부에 상기 연료공급구 및 연료배출구와 연결된 연료순환배관 및 상기 공기공급구 및 공기배출구와 연결된 공기순환배관을 구비하며,
    상기 단위전지모듈이 연료이송패널에 결합되는 경우, 단위전지모듈의 연료공급구 및 연료배출구가 상기 연료순환배관에 결합하면서 연료순환배관의 연결를 끊고 동시에 끊어진 연료순환배관을 브릿지 시켜서 연료가 단위전지모듈의 내부를 통하여 순환하게 하며, 동시에 공기공급구 및 공기배출구가 상기 공기순환배관에 결합하면서 공기순환배관의 연결를 끊고 동시에 끊어진 공기순환배관을 브릿지 시켜서 공기가 단위전지모듈의 내부를 통하여 순환하게 하며,
    상기 단위전지모듈이 연료이송패널로부터 분리되는 경우, 연료순환배관 및 공기순환배관이 원래대로 다시 복원되는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈.
  2. 다수개의 단위전지모듈 및 상기 단위전지모듈이 고정되는 다수개의 단위전지모듈 삽입홈이 구비된 연료이송패널을 포함하며,
    상기 다수개의 단위전지모듈은 일단부에, 연료이송패널의 단위전지모듈 삽입홈에 삽입 및 분리가 가능하며 외벽에 연료공급구, 공기공급구, 연료배출구 및 공기배출구가 형성된 관타입 고정수단을 구비하며,
    상기 연료이송패널은 외벽에 연료공급구, 연료배출구, 공기공급구 및 공기배출구를 구비하며,
    상기 연료이송패널의 내부에 형성된 다수개의 단위전지모듈 삽입홈들은 각각 연료공급구, 연료배출구, 공기공급구 및 공기배출구를 구비하며,
    상기 각각의 삽입홈의 연료공급구 및 공기공급구는 인접하는 하나의 삽입홈의 연료배출구 및 공기배출구와 각각 연료순환배관 및 공기순환배관에 의해 연통되고, 연료배출구 및 공기배출구는 인접하는 다른 하나의 삽입홈의 연료공급구 및 공기공급구와 각각 연료순환배관 및 공기순환배관에 의해 연통되며,
    연료이송패널 전체 삽입홈 중의 어느 하나의 삽입홈의 연료공급구 및 공기공급구는 연료이송패널 외벽의 연료공급구 및 공기공급구와 각각 연료순환배관 및 공기순환배관에 의해 연통되며, 다른 하나의 삽입홈의 연료배출구 및 공기배출구는 연료이송패널 외벽의 연료배출구 및 공기배출구와 각각 연료순환배관 및 공기순환배관에 의해 연통되며,
    상기 삽입홈에는 단위전지모듈이 삽입되지 않은 상태에서 삽입홈에 구비된 연료공급구와 연료배출구 및 공기공급구와 공기배출구를 각각 연통되게 연결시키는 2개의 배관을 포함한 배관플레이트가 구비되며, 상기 배관플레이트는 탄성부재를 구비하여 단위전지모듈이 삽입되는 경우 압력에 의해 하방으로 밀려 내려가고, 단위전지모듈이 분리되는 경우 탄성에 의해 상승하여 삽입홈에 포함된 연료공급구와 연료배출구 및 공기공급구와 공기배출구를 각각 연통되게 연결시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단위전지모듈은 튜브타입이며, 연료전극, 전해질층 및 공기전극이 이 순서 또는 반대 순서로 적층된 튜브형 전극적층체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 튜브형 단위전지모듈은 상기 튜브형 전극적층체를 내부에 수용하는 외부튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 튜브형 단위전지모듈은 튜브형 전극적층체의 중심부를 통하여 연료가스가 공급되며, 외부튜브를 통하여 공기가 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 튜브형 단위전지모듈은
    상기 튜브형 전극적층체의 내부에 삽입 배치된 다공성 지지체 튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 다공성 지지체 튜브는
    중공 구조의 튜브 몸체와,
    상기 튜브 몸체의 중공 내부 중앙 부분에 배치된 격벽과,
    상기 격벽과 이격된 상측 및 하측으로 튜브 몸체(12-1)의 일부를 각각 관통하는 제1 및 제2 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 다공성의 지지체 튜브가 집전체 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 외부튜브의 외부 또는 내부에는 열선이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 외부튜브 또는 연료전지 지지체 튜브의 내부에는 써모커플이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 튜브형 단위전지모듈은
    상기 튜브형 전극적층체 및 외부튜브의 일단부를 커버하며, 연료공급구 및 공기공급구가 구비된 제1캡;
    상기 튜브형 전극적층체 및 외부튜브의 타단부를 커버하며, 연료배출구 및 공기배출구가 구비된 제2캡;
    일면에 상기 제1캡이 고정되며 타면에 관타입 고정수단이 고정된 고정플레이트: 및
    상기 제1캡의 연료공급구와 관타입 고정수단의 연료공급구를 연결하는 제1배관, 제1캡의 공기공급구와 관타입 고정수단의 공기공급구를 연결하는 제2배관, 제2캡의 연료배출구와 관타입 고정수단의 연료배출구를 연결하는 제3배관, 및 제2캡의 공기배출구와 관타입 고정수단의 공기배출구를 연결하는 제4배관을 포함하는 배관부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용스택 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1배관 내지 제4배관은 상기 플레이트를 관통하여 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 고정플레이트에는 전기배선컨넥트단자가 관타입 고정수단 측부에 연료이송패널에 삽탈 가능하게 돌출하여 설치되며,
    상기 연료전극에서 연장된 전기배선 및 공기전극에서 연장된 전기배선이 상기 전기배선컨넥트단자의 개별단자에 연결되며,
    상기 연료이송패널의 단위전지모듈 삽입홈 각각의 측부에는 상기 전기배선컨넥트단자가 삽입될 수 있는 전기배선컨넥트단자 수용홈이 더 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 연료이송패널 내부의 전기배선컨넥트단자 수용홈들은 전기배선에 의해 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 고정플레이트에는 단위전지모듈을 커버할 수 있는 단위전지모듈 하우징이 더 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 관타입 고정수단의 외벽에 형성된 연료공급구, 공기공급구, 연료배출구 및 공기배출구에는 실링부재가 더 구비되며,
    연료이송패널의 내부에 형성된 다수개의 단위전지모듈 삽입홈에 구비된 연료공급구, 연료배출구, 공기공급구 및 공기배출구에는 실링부재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈.
  17. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈은 다양한 출력밀도성능을 갖는 단위전지모듈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택모듈.
  18. 다수개의 단위전지모듈 및 상기 다수개의 단위전지모듈이 결합되는 연료이송패널을 포함하며,
    상기 다수개의 단위전지모듈은 각각 연료공급구, 공기공급구, 연료배출구 및 공기배출구를 구비하며,
    상기 연료이송패널은 외벽에 연료공급구, 연료배출구, 공기공급구 및 공기배출구가 설치되고, 내부에 상기 연료공급구 및 연료배출구와 연결된 연료순환배관 및 상기 공기공급구 및 공기배출구와 연결된 공기순환배관을 구비하는 단위전지모듈의 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈에 있어서,
    상기 단위전지모듈을 연료이송패널에 결합시키는 경우, 단위전지모듈의 연료공급구 및 연료배출구를 상기 연료순환배관에 결합하여 연료순환배관의 연결를 끊고 동시에 끊어진 연료순환배관을 브릿지 시켜서 연료가 단위전지모듈의 내부를 통하여 순환하게 하며, 동시에 공기공급구 및 공기배출구를 상기 공기순환배관에 결합하여 공기순환배관의 연결를 끊고 동시에 끊어진 공기순환배관을 브릿지 시켜서 공기가 단위전지모듈의 내부를 통하여 순환하게 하며,
    상기 단위전지모듈을 연료이송패널로부터 분리하는 경우, 연료순환배관 및 공기순환배관을 원래대로 다시 복원시키는 것을 특징으로 하는 단위전지모듈의 연료이송패널에 대한 결합 및 분리방법.
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