KR20200094876A - Solid oxide fuel cells and solid oxide electrolysis cells - Google Patents

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전상윤
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Abstract

The present invention relates to a solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolysis cell. According to the present invention, the solid oxide fuel cell and the solid oxide electrolysis cell comprises, respectively; a flat tubular unit cell (100) having a plurality of tubular through-holes (111a, 111b) for transferring fuel gas formed in a longitudinal direction; an upper cap (200) coupled to one longitudinal end of the flat tubular unit cell (100) and blocking one end of the flat tubular unit cell (100) from the outside while communicating the plurality of tubular through-holes (111a, 111b) with each other; a cell lower slit (300) coupled to the other longitudinal end of the flat tubular unit cell (100), having an opening part (320) opening the plurality of tubular through-holes (111a, 111b) formed therein, and having an insertion groove (330) formed on a lower surface; and a manifold (400) coupled to the cell lower slit (300), having spaces (420, 430) formed therein to communicate with the plurality of tubular through-holes (111a, 111b), including a reaction gas inlet (450) through which the fuel gas is supplied and a reaction gas outlet (460) through which the fuel gas reacting with air is discharged, and dividing the spaces (420, 430) and the plurality of tubular through-holes (111) into halves to form the flow of fuel gas in a U-shape. Accordingly, since a flat tubular unit cell and a flat planar unit cell are divided into halves, respectively, inflow and outflow of the fuel gas are performed in one manifold, thereby providing advantages of increasing sealing efficiency, and increasing performance and efficiency of a fuel cell through a heat exchange function.

Description

고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀{SOLID OXIDE FUEL CELLS AND SOLID OXIDE ELECTROLYSIS CELLS}Solid oxide fuel cell and solid oxide electrolysis cell {SOLID OXIDE FUEL CELLS AND SOLID OXIDE ELECTROLYSIS CELLS}

본 발명은 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 성능과 효율 향상을 위한 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolytic cell, and more particularly, to a solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolytic cell for improving performance and efficiency.

고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs)와 고체산화물 전해셀(Solid Oxide Electrolysis Cells, SOECs)은 셀을 구성하는 기본 요소인 전해질막 및 전극이 모두 내열성이 우수한 세라믹으로 구성된다. Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) and Solid Oxide Electrolysis Cells (SOECs) are composed of ceramics with excellent heat resistance, both of which are the basic elements of the cell, the electrolyte membrane and electrodes.

고체산화물 연료전지는 다른 연료전지에 비해 상대적으로 넓은 온도범위에서 작동하는 연료전지로 알려져 있으며, 대규모 분산용 발전뿐만 아니라 가정용 혹은 소규모 주거단지와 수송용을 위한 발전장치로 개발되고 있다.Solid oxide fuel cells are known as fuel cells that operate in a relatively wide temperature range compared to other fuel cells, and are being developed as power generation devices for home or small-scale residential complexes and transportation as well as large-scale distributed power generation.

고체산화물 전해셀은 연료전지의 역반응 공정으로 증기로부터 수소를 생산하는 고온전기분해 장치로 사용할 수 있으며, 미국에서는 초고온가스로(Very High Temperature Reactor, VHTR)와 연계한 원자력이용 고온전기분해 수소생산기술을 개발 중에 있고, 국내에서도 스택규모의 고온전기분해 수소생산시스템을 개발하여 수소생산을 실증한바 있다.The solid oxide electrolysis cell can be used as a high-temperature electrolysis device that produces hydrogen from steam through the reverse reaction process of a fuel cell, and in the United States, a high-temperature electrolysis hydrogen production technology using nuclear power in connection with a very high temperature reactor (VHTR) is used. It is under development and has demonstrated hydrogen production by developing a stack-scale high-temperature electrolysis hydrogen production system in Korea.

최근에는 고체산화물 연료전지를 전기 생산이 아닌 전기분해 장치로 역반응 시켜 이용하기도 하는 등, 특히 역반응 장치인 전해셀을 이용하여 지구온난화의 주범인 온실가스, 이산화탄소를 증기와 함께 전기분해하여 합성가스를 생산하고, 메탄올, 가솔린 등의 다양한 액체연료로 전환하는 에너지 저장의 수단 및 온실가스 재활용의 수단으로 주목을 받고 있다. In recent years, solid oxide fuel cells have been reversely reacted with an electrolysis device instead of electricity production.In particular, using an electrolysis cell, which is a reverse reaction device, is used to electrolyze greenhouse gases and carbon dioxide, which are the main causes of global warming, together with steam to produce syngas. It is attracting attention as a means of energy storage and greenhouse gas recycling to produce and convert to various liquid fuels such as methanol and gasoline.

물과 이산화탄소의 고온전기분해(coelectrolysis)를 통하여 생산되는 가솔린 등의 액체연료는 버스, 항공기, 선박 등 수송수단의 연료로 활용이 가능하므로 기존의 사회기반시설(infrastructure)을 그대로 사용할 수 있어, 다른 대체에너지와 달리 새로운 형태의 사회기반시설을 구축할 필요가 없다는 장점이 있다. 또한, 고온전기분해를 이용한 수소 생산을 통하여 간헐적으로 생산되는 저품질의 신재생에너지와 계통의 잉여전력을 수소 에너지로 저장할 수 있으며, 전력이 필요한 경우 고체산화물 연료전지를 이용하여 수소를 소비하여 전력생산이 가능하므로 전력저장 및 전력설비의 활용 극대화가 가능하다. Liquid fuel such as gasoline produced through high-temperature electrolysis of water and carbon dioxide can be used as fuel for transportation means such as buses, aircraft, and ships, so the existing infrastructure can be used as it is. Unlike alternative energy, it has the advantage of not having to build a new type of infrastructure. In addition, through hydrogen production using high-temperature electrolysis, low-quality new and renewable energy intermittently produced and surplus power of the system can be stored as hydrogen energy. When power is needed, power is produced by consuming hydrogen using a solid oxide fuel cell. As this is possible, it is possible to maximize the use of power storage and power facilities.

고체산화물 전해셀 및 연료전지의 핵심 구성요소인 단전지(single cell)는 산소이온 전도성을 갖는 전해질막과 그 양면의 연료극과 공기극으로 구성된다. 고체산화물 전해셀의 경우, 연료극에 고온의 증기를 공급하고 전기를 인가하면 물이 전기분해되어 수소와 산소이온이 생성되며, 산소이온은 전해질막을 통해 공기극으로 이동하므로 순수한 산소와 수소가 분리되어 생성된다. 고체산화물 연료전지의 경우, 공기극과 연료극에 산소와 연료를 각각 공급해 주면 공기극에서는 산소의 환원반응이 일어나 산소이온이 생성되어 전해질막을 통해 연료극으로 이동하며, 연료극에서는 연료가 산소이온과 반응하여 물로 산화되면서 전자가 발생하여 전기를 생산하게 된다. A single cell, which is a core component of a solid oxide electrolytic cell and a fuel cell, is composed of an electrolyte membrane having oxygen ion conductivity and an anode and a cathode on both sides thereof. In the case of a solid oxide electrolysis cell, when hot steam is supplied to the anode and electricity is applied, water is electrolyzed to generate hydrogen and oxygen ions, and oxygen ions move to the cathode through the electrolyte membrane, so pure oxygen and hydrogen are separated and generated. do. In the case of a solid oxide fuel cell, when oxygen and fuel are supplied to the cathode and anode respectively, oxygen reduction reaction occurs at the cathode and oxygen ions are generated and move to the anode through the electrolyte membrane, and at the anode, the fuel reacts with oxygen ions and is oxidized to water. As a result, electrons are generated to produce electricity.

고체산화물 전해셀 및 연료전지는 셀의 형태에 따라 튜브(원통)형, 평관형, 평판형의 3가지로 구분할 수 있으며, 전해질막을 중심으로 그 양면에 연료극과 공기극으로 구성되어 단위셀을 이루고 있고, 지지체 역할을 담당하는 구성요소에 따라 연료극 지지체식, 전해질막 지지체식, 금속 지지체식으로 구분한다. Solid oxide electrolytic cells and fuel cells can be classified into three types: tube (cylindrical) type, flat tube type, and flat plate type, depending on the shape of the cell, and composed of an anode and an anode on both sides of the electrolyte membrane to form a unit cell. , According to the components that play the role of a support, it is classified into an anode support type, an electrolyte membrane support type, and a metal support type.

이중 연료극 지지체식 구조를 가지는 고체산화물 전해셀 및 연료전지는 매우 얇은 두께(10~30μm)의 전해질막 막을 연료극 지지체 위에 입힌 형태로서 종전의 전해질막 지지체식 구조보다 낮은 온도(700~800℃)에서 작동이 가능하다. 사실, 고체산화물 전해셀과 연료전지는 원하는 전기분해능력 및 전기출력을 얻기 위하여 여러 장의 단위셀을 적층하여 스택으로 운전된다. 평판형 고체산화물 전해셀 및 연료전지를 적층하여 스택으로 만들 때는 한 셀의 연료극과 이웃하는 다른 셀의 공기극을 연결하여 전기적인 접촉을 제공해주는 연결재(interconnect)인 분리판(separator)이 필요하다. The solid oxide electrolytic cell and fuel cell having a dual anode support structure are in the form of a very thin (10~30μm) electrolyte membrane coated on the anode support, and at a lower temperature (700~800℃) than the previous electrolyte membrane support structure. Operation is possible. In fact, the solid oxide electrolytic cell and the fuel cell are operated as a stack by stacking several unit cells in order to obtain a desired electrolysis capability and electrical output. When a flat solid oxide electrolytic cell and a fuel cell are stacked to form a stack, a separator, which is an interconnect that provides electrical contact by connecting the anode of one cell and the cathode of another adjacent cell, is required.

또한, 분리판은 전기적인 접촉을 제공하는 기능 외에도 연료극과 공기극에 공급되는 연료와 공기를 셀 표면에 고르게 분산시키고, 연료극과 공기극의 각 기체들이 서로 섞이지 않도록 해주며, 공급된 연료와 공기가 외부로 유출되는 것을 막는 밀봉부위를 제공하는 역할을 한다. 분리판은 금속과 세라믹 재료가 사용되는데, 대면적 제조 및 기계적 가공이 용이한 금속 분리판이 용이하지만 내산화성을 갖는 세라믹재 연결재 및 분리판이 장기성능면에서 고전도도를 가져서 고온에서 장기간 운전되는 SOFC에서는 세라믹 분리판 또는 연결재가 우수한 특성을 지닌다. In addition to the function of providing electrical contact, the separator also distributes fuel and air supplied to the anode and cathode evenly on the cell surface, prevents gas from the anode and cathode from mixing, and prevents the supplied fuel and air from being mixed with each other. It serves to provide a sealing area to prevent spillage into the furnace. Metal and ceramic materials are used for the separator. A metal separator that is easy to manufacture and mechanically process in a large area is easy, but the ceramic connector and separator with oxidation resistance have high conductivity in terms of long-term performance. Ceramic separators or connectors have excellent properties.

단전지를 스택으로 제작할 때 분리판의 메니폴드는 반응가스를 공급하고 생성된 가스를 배출하는 유로를 제공한다. 스택 운전시 단전지에 공급되는 가스의 균일한 공급은 전해셀 및 연료전지의 운전성능에 매우 중요한 영향을 미치게 되기 때문에 메니폴드의 구조와 배치 등에 많은 연구가 진행되고 있다. When a unit cell is manufactured as a stack, the manifold of the separator provides a flow path through which reaction gas is supplied and generated gas is discharged. Since the uniform supply of gas supplied to the unit cell during stack operation has a very important effect on the operating performance of the electrolytic cell and the fuel cell, many studies are being conducted on the structure and arrangement of the manifold.

따라서 높은 성능의 고체산화물 전해셀 및 연료전지 스택을 제작하기 위해서는 직렬 또는 병렬로 연결된 각각의 단전지에 대하여 연료 유로와 공기 유로를 형성하여 연료와 공기가 각각의 유로를 독립적으로 순환하면서 연료와 공기가 균일하게 공급되도록 메니폴드와 연결재(또는 분리판)의 유로를 잘 설계하고 가공하여야 한다.Therefore, in order to manufacture a high-performance solid oxide electrolytic cell and a fuel cell stack, a fuel flow path and an air flow path are formed for each unit cell connected in series or in parallel, so that the fuel and air independently circulate through each flow path. The flow path of the manifold and connecting material (or separator) must be well designed and processed to ensure uniform supply of the manifold.

스택은 메니폴드의 위치에 따라 내부 메니폴드 스택과 외부 메니폴드 스택으로 나누어지며, 분리판의 유로형태는 크게 카운터플로(Counter flow), 코플로(Co-flow), 크로스플로(Cross flow) 등이 있을 수 있다. 예를 들어, 여러 형태의 유로를 갖는 분리판의 경우 메니폴드에서 나온 기체들이 가로방향의 주유로와 이 주유로에 수직방향의 미세유로를 따라 가스분배가 이루어지고, 분리판의 반대쪽에는 수직방향의 주유로가 가공되어 최종적으로 두 가스가 서로 수직한 방향으로 흐르게 되는 구조를 갖는다. 공급된 가스는 미세유로의 형상 및 차압에 따라 입구 메니폴드 쪽의 메인 유로에서 분배가 이루어져 미세유로에 공급되고 출구 쪽 메인 유로에서 다시 합쳐져서 스택 외부로 배출된다.The stack is divided into an internal manifold stack and an external manifold stack according to the position of the manifold, and the flow path of the separator can be largely divided into counter flow, co-flow, and cross flow. have. For example, in the case of a separating plate having various types of flow paths, gases from the manifold are distributed along a horizontal main channel and a microchannel in a vertical direction to the main channel, and the opposite side of the separation plate is in a vertical direction. The gas passage is processed and finally the two gases flow in a direction perpendicular to each other. The supplied gas is distributed in the main flow path on the inlet manifold side according to the shape and differential pressure of the micro-channels, is supplied to the micro-channels, is recombined at the outlet side, and discharged to the outside of the stack.

특히 이때 연료극과 공기극에 공급되는 연료와 공기가 메니폴드를 통하여 분리판으로 공급될 때 스택내에서 연료와 공기가 혼합되어 직접 접촉할 경우, 연소 반응이 일어나면서 연료극에 손상이 발생될 수 있다. 또한 공급되는 연료와 공기가 스택 외부로 유출될 경우 전해셀 및 연료전지의 성능이 저하되며, 공급되는 연료와 공기의 양이 증가되어 효율이 감소하게 된다. 그러므로 연료와 공기의 직접적인 접촉 및 스택 내부의 가스들이 스택 외부로 유출되는 것을 방지하기 위해 메니폴드와 단전지 (또는 연결재/분리판) 사이에 밀봉을 잘 유지하는 것은 전해셀 및 연료전지의 성능에 중요한 영향을 미치게 된다.In particular, when the fuel and air supplied to the anode and the cathode are supplied to the separation plate through the manifold, when the fuel and air are mixed in the stack and directly contact them, a combustion reaction may occur and damage to the anode may occur. In addition, when the supplied fuel and air flow out of the stack, the performance of the electrolytic cell and the fuel cell deteriorates, and the amount of supplied fuel and air increases, thereby reducing the efficiency. Therefore, maintaining a good seal between the manifold and the unit cell (or connector/separator) is important to the performance of the electrolytic cell and fuel cell in order to prevent direct contact between fuel and air and gases inside the stack from leaking out of the stack. Will have an effect.

따라서 고체산화물 연료전지 및 전해셀을 적층하여 스택으로 만들 때, 단전지와 메니폴드 사이에서의 밀봉을 유지하기 위하여 주로 유리 밀봉재를 사용하고 있다. 고체산화물 전해셀 및 연료전지는 600 내지 1000 ℃의 고온에서 운전되며, 스택의 높이가 높아질수록 스택의 상부와 하부사이에 온도차가 발생될 수 있으며, 스택 하부는 여러 장의 단전지 및 분리판 무게에 의한 하중을 받는다. 또한 주기적인 운전과 정지로 인하여 냉각과 가열이 반복되어 발생하는 열충격에 의하여 유리 밀봉재가 깨어져 밀봉이 저하되는 문제점이 발생된다. Therefore, when a solid oxide fuel cell and an electrolytic cell are stacked to form a stack, a glass sealing material is mainly used to maintain the sealing between the unit cell and the manifold. Solid oxide electrolytic cells and fuel cells are operated at a high temperature of 600 to 1000 ℃, and as the height of the stack increases, a temperature difference may occur between the upper and lower portions of the stack. Load by In addition, due to periodic operation and stopping, the glass sealant is broken due to thermal shock generated by repeated cooling and heating, resulting in a problem that the sealing is deteriorated.

이러한 이유로 평판형 보다는 튜브형 또는 이를 약간 평판형 특성을 갖게하여 접촉면적을 증가시킨 구조인 평관형이 열팽창에 따른 응력부위를 최소화 구조로 제안되고 있으며, 이에 따라 평관형 SOFC 또는 SOEC 스택 모듈이 가장 열응력을 최소화하여 상온-고온으로의 반복운전(열싸이클 운전)이 가능한 가장 최적화된 구조인 것으로 판단되고 있다. For this reason, a tube type rather than a flat tube type or a flat tube type, which is a structure in which the contact area is increased by slightly increasing the contact area, is proposed as a structure that minimizes the stress area caused by thermal expansion, and accordingly, the flat tube type SOFC or SOEC stack module is the most thermal. It is considered to be the most optimized structure capable of repetitive operation (heat cycle operation) from room temperature to high temperature by minimizing stress.

하지만 평관형 고체산화물 연료전지 및 전해셀에서도 메니폴드와 단전지를 연결하는 부위에는 세라믹 즉, 유리 밀봉재를 사용하여야 하는데 이런 부위는 연료가스 또는 수소가스 샐 수 있는 취약한 부위이다. 특히 연료전지를 반응 온도와 상온으로 변화시켜가면서 운전하게 되는 열사이클 운전시에는 이런 취약부위, 즉 밀봉재을 사용한 면적이 클 수로 가스 씰링(sealing)이 깨지고 이에 따라 가스 누설 현상은 자주 일어날 수 있다. However, in the flat tubular solid oxide fuel cell and the electrolytic cell, ceramic, that is, a glass sealant must be used for the part connecting the manifold and the unit cell, but this part is a vulnerable part where fuel gas or hydrogen gas may leak. In particular, during thermal cycle operation in which the fuel cell is operated while changing the reaction temperature and room temperature, the gas sealing is broken due to such a weak area, that is, the area where the sealing material is used, and thus gas leakage may occur frequently.

일반적인 튜브형 또는 평관형 단전지는 스택내 셀의 양측에 각 한 개로 두 개씩의 메니폴드를 두는 구조에서는 특히 셀이 열사이클 운전에 따른 산화와 환원이 발생할 경우 부피변화가 수반되면서 서로 다른 셀 들이 두 군데의 메니폴드에 밀봉재로 고정되어 있어서 부피 또는 길이변화 차이를 극복하지 못해 상당히 큰 응력이 발생하고 이 값이 한계치를 넘어설 경우 기계적으로 취약한 부분에서 크랙이 발생하고 재료의 파괴가 발생한다. 따라서 수소의 누설이 발생함에 따라서 성능 열화와 부식이 매우 급격히 일어 날 수 있다. In a general tube-type or flat-tubular cell, in a structure in which two manifolds are placed, one on each side of the cell in the stack, especially when the cell undergoes oxidation and reduction due to thermal cycle operation, a volume change is accompanied and different cells are placed in two places. Since it is fixed to the manifold with a sealing material, it is impossible to overcome the difference in volume or length change, which generates a considerably large stress. If this value exceeds the limit, cracks occur in the mechanically weak areas and the material breaks down. Therefore, as hydrogen leakage occurs, performance degradation and corrosion can occur very rapidly.

본 발명의 목적은 한쪽 방향 메니폴드를 적용하고 U자형 연료가스 흐름을 갖도록 단전지 또는 스택 모듈을 구성하여 밀봉 효율을 높이고 가스 누설을 방지하며 가스 분배를 효과적으로 개선하여 에너지 손실을 줄이고 전기 출력 성능과 전기 효율을 향상시키도록 한 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀에 관한 것이다.It is an object of the present invention to apply a one-way manifold and configure a single cell or stack module to have a U-shaped fuel gas flow to increase sealing efficiency, prevent gas leakage, and effectively improve gas distribution to reduce energy loss, reduce electrical output performance, and The present invention relates to a solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolysis cell to improve efficiency.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 길이방향으로 연료가스 이동을 위한 다수 개의 관형 통공이 형성된 평관형 단위셀과 상기 평관형 단위셀의 길이방향 일단에 결합되고 상기 다수 개의 관형 통공을 서로 연통시키면서 상기 평관형 단위셀의 일단을 외부와 차폐하는 상부 캡과 상기 평관형 단위셀의 길이방향 타단에 결합되고 상기 다수 개의 관형 통공을 개구시키는 개구부가 형성되며 저면에 끼움홈이 형성된 셀 하부 슬릿과 상기 셀 하부 슬릿과 결합되고, 상기 다수 개의 관형 통공과 연통되는 공간이 형성되고 연료가스가 주입되는 연료가스 입구와 연료가스가 공기와 반응한 가스가 배출되는 반응 가스 출구가 구비되며, 상기 공간 및 다수 개의 관형 통공을 반으로 나누어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성하는 메니폴드를 포함한다.According to the features of the present invention for achieving the object as described above, the present invention is coupled to a flat tubular unit cell in which a plurality of tubular through holes are formed for fuel gas movement in the longitudinal direction and one end in the longitudinal direction of the flat tubular unit cell, An upper cap that shields one end of the flat tubular unit cell from the outside while communicating the plurality of tubular through-holes with the outside and the other end in the longitudinal direction of the flat tubular unit cell, and an opening for opening the plurality of tubular through-holes is formed on the bottom surface. A reaction gas that is combined with the lower cell slit and the lower cell slit, where the fitting groove is formed, a space communicating with the plurality of tubular through-holes is formed, and the fuel gas inlet into which the fuel gas is injected and the gas reacted with the air by the fuel gas is discharged. An outlet is provided, and includes a manifold for dividing the space and a plurality of tubular through holes in half to form a flow of fuel gas in a U shape.

상기 메니폴드는 상기 메니폴드를 상기 셀 하부 슬릿과 결합시 상기 셀 하부 슬릿의 끼움홈에 결합되며 상기 공간 및 다수 개의 관형 통공을 반으로 나누어 상기 다수 개의 관형 통공의 반과 연통되는 제1 공간과 상기 다수 개의 관형 통공의 나머지 반과 연통되는 제2 공간을 형성하는 격판을 포함하며, 상기 연료가스 입구는 상기 제1 공간과 연통되고, 상기 가스 출구는 제2 공간과 연통된다.The manifold is coupled to the fitting groove of the cell lower slit when the manifold is coupled to the cell lower slit, and divides the space and the plurality of tubular through holes into halves, and a first space communicating with the halves of the plurality of tubular through holes and the plurality of And a diaphragm defining a second space communicating with the other half of the tubular through-hole, wherein the fuel gas inlet communicates with the first space, and the gas outlet communicates with the second space.

상기 메니폴드는 상기 평관형 단위셀의 일단에 상기 상부 캡을 결합하고 타단에 상기 셀 하부 슬릿을 결합하여 형성한 단전지 모듈의 셀 하부 슬릿과 결합되어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성하거나, 상기 평관형 단위셀의 일단에 상기 상부 캡을 결합하고 타단에 셀 하부 슬릿을 결합하여 형성한 평관형 단전지 모듈을 다수 개 연결하여 형성한 스택 모듈의 셀 하부 슬릿들과 결합되어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성한다.The manifold is combined with a cell lower slit of a unit cell module formed by coupling the upper cap to one end of the flat tubular unit cell and the cell lower slit to the other end to form a flow of fuel gas in a U shape, or Combined with the cell lower slits of the stack module formed by connecting a plurality of flat tubular unit cell modules formed by combining the upper cap to one end of the flat tubular unit cell and the cell lower slits to the other end to prevent the flow of fuel gas. It is formed in a U shape.

상기 스택 모듈에서 평관형 단전지 모듈들은 셀간 연결재를 매개로 연결되며, 상기 스택 모듈의 양면에 셀간 연결재를 매개로 음극판과 양극판을 더 연결하고, 일측 음극판과 양극판에는 음극단자(-전극부)를 구비하고 반대되는 타측 음극판과 양극판에는 양극단자(+전극부)를 구비한다.In the stack module, the flat tubular unit cell modules are connected via a cell-to-cell connector, a negative electrode plate and a positive plate are further connected to each other through a cell-cell connection material on both sides of the stack module, and a negative terminal (-electrode part) is provided on one negative plate and the positive plate. A positive terminal (+ electrode part) is provided on the other negative electrode plate and the positive electrode plate opposite to each other.

상기 셀간 연결재는 상기 평관형 단위셀 간 공간을 채우면서 공기 유입이 가능하도록 다공성의 집전체, 집전 메쉬 중 선택된 1종 또는 이들의 조합으로 형성한다.The inter-cell connector is formed of one selected from a porous current collector and a current collector mesh, or a combination thereof so as to allow air inflow while filling the space between the flat tubular unit cells.

상기 평관형 단위셀은 다수 개의 관형 통공이 형성되며 연료극 겸 지지체인 평관형 지지체와 상기 평관형 지지체의 일면과 양측면 및 타면 일부를 감싸도록 코팅되는 전해질막과 상기 평관형 지지체의 반대되는 타면에서 상기 평관형 지지체가 노출되는 부분에 코팅되는 세라믹 연결재와 상기 전해질막에 코팅되는 공기극을 포함한다.The flat tubular unit cell has a plurality of tubular through-holes formed therein, the anode and the support, a flat tubular support, an electrolyte membrane coated to cover a portion of one and both sides and the other surface of the flat tubular support, and the other surface opposite the flat tubular support. It includes a ceramic connector coated on a portion where the flat tubular support is exposed, and a cathode coated on the electrolyte membrane.

상기 평관형 지지체는 Ni0-YSZ를 포함하고, 상기 전해질막은 YSZ를 포함하고The flat tubular support includes Ni0-YSZ, the electrolyte membrane includes YSZ,

상기 세라믹 연결재는 LST와 LSF를 포함하고, 상기 공기극은 GDC, LSCF-GDC, LSC를 포함한다.The ceramic connector includes LST and LSF, and the cathode includes GDC, LSCF-GDC, and LSC.

상기 평관형 단위셀에 상기 상부 캡과 상기 셀 하부 슬릿을 결합하고 밀봉 유리로 부착한다.The upper cap and the lower slit of the cell are coupled to the flat tubular unit cell and attached with a sealing glass.

상기 연료가스는 수소를 포함한다.The fuel gas contains hydrogen.

길이방향으로 일단은 차폐되고 반대되는 타단은 다수 개의 관형 통공이 형성되며 중간 부분은 다수 개의 관형 통공과 연통됨과 동시에 다수 개의 관형 통공을 반으로 나누어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성하는 유로부가 형성되며, 타단에서 상기 다수 개의 관형 통공을 반으로 나누는 위치에 끼움홈이 형성된 평판형 단위셀과 상기 평판형 단위셀과 결합되고, 상기 다수 개의 관형 통공과 연통되는 공간이 형성되고 연료가스가 주입되는 연료가스 입구와 연료가스가 배출되는 반응 가스 출구가 구비되며, 상기 공간 및 다수 개의 관형 통공을 반으로 나누어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성하는 메니폴드를 포함한다.In the longitudinal direction, one end is shielded and a number of tubular through holes are formed at the opposite end, and the middle part communicates with a plurality of tubular through holes, and at the same time, a flow path that divides the plurality of tubular through holes in half to form a U-shaped flow of fuel gas is formed. In the other end, a flat unit cell having a fitting groove formed at a position dividing the plurality of tubular through holes in half and the flat unit cell are combined, a space communicating with the plurality of tubular through holes is formed, and fuel gas is injected. A fuel gas inlet and a reaction gas outlet through which the fuel gas is discharged are provided, and a manifold for dividing the space and a plurality of tubular through holes in half to form a flow of fuel gas in a U-shape.

상기 메니폴드는 상기 메니폴드를 상기 평판형 단위셀과 결합시 상기 단위셀의 끼움홈에 결합되며 상기 공간 및 다수 개의 관형 통공을 반으로 나누어 상기 다수 개의 관형 통공의 반과 연통되는 제1 공간과 상기 다수 개의 관형 통공의 나머지 반과 연통되는 제2 공간을 형성하는 격판을 포함하며, 상기 연료가스 입구는 상기 제1 공간과 연통되고, 상기 가스 출구는 제2 공간과 연통된다.The manifold is coupled to the fitting groove of the unit cell when the manifold is coupled to the flat unit cell, and divides the space and the plurality of tubular through holes into halves and communicates with the plurality of tubular through holes. And a diaphragm defining a second space communicating with the other half of the tubular through-hole, wherein the fuel gas inlet communicates with the first space, and the gas outlet communicates with the second space.

상기 메니폴드는 상기 평판형 단위셀의 타단과 결합되어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성하거나, 상기 평판형 단위셀을 다수 개 결합하여 형성한 스택 모듈의 타단들과 결합되어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성한다.The manifold is combined with the other end of the flat unit cell to form a U-shaped flow of fuel gas, or is combined with the other ends of the stack module formed by combining a plurality of flat unit cells to reduce the flow of fuel gas. Form in a shape

상기 스택 모듈에서 평판형 단전지 모듈들은 셀간 연결재를 매개로 결합되며, 상기 스택 모듈의 양면에 셀간 연결재를 매개로 음극판과 양극판을 더 결합하고, 일측 음극판과 양극판에는 음극단자(-전극부)를 구비하고 반대되는 타측 음극판과 양극판에는 양극단자(+전극부)를 구비한다.In the stack module, the flat unit cell modules are coupled via a cell-to-cell connector, a negative electrode plate and a positive plate are further coupled to each other through a cell-cell connection material on both sides of the stack module, and a negative terminal (-electrode) is provided on one negative plate and the positive plate. A positive terminal (+ electrode part) is provided on the other negative electrode plate and the positive electrode plate opposite to each other.

상기 셀간 연결재는 상기 평판형 단위셀 간 공간을 채우면서 공기 유입이 가능하도록 다공성의 집전체, 집전 메쉬 중 선택된 1종 또는 이들의 조합으로 형성한다.The inter-cell connection material is formed of one selected from a porous current collector and a current collector mesh, or a combination thereof so as to allow air inflow while filling the space between the flat unit cells.

상기 평판형 단위셀은 길이방향으로 일단은 차폐되고 반대되는 타단은 다수 개의 관형 통공이 형성되며 중간 부분은 두께 방향으로 관통되며, 상기 중간 부분에 다수 개의 관형 통공을 반으로 나누어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성하는 유로부를 형성하는 분리바가 구비된 중간판과 상기 중간판의 일면에 상기 유로부를 덮도록 부착되며 연료극인 제1 평판형 지지체와 상기 제1 평판형 지지체에 코팅되는 전해질막과 상기 전해질막에 코팅되는 공기극과 상기 중간판의 반대되는 타면에 상기 유로부를 덮도록 부착되는 제2 평판형 지지체와 상기 제2 평판형 지지체에 코팅되는 세라믹 연결재를 포함한다.The flat unit cell is shielded at one end in the longitudinal direction and a plurality of tubular through holes are formed at the opposite end, and the middle part is penetrated in the thickness direction, and the plurality of tubular through holes are divided in half in the middle part to control the flow of fuel gas. An intermediate plate provided with a separating bar forming a U-shaped flow path portion, and a first plate-shaped support body that is an anode, and an electrolyte membrane coated on the first flat-type support body, and the intermediate plate is attached to one surface of the intermediate plate to cover the flow path portion. And a second plate-shaped support attached to cover the flow path on the other surface opposite to the air electrode coated on the electrolyte membrane and the intermediate plate, and a ceramic connector coated on the second plate-shaped support.

상기 중간판은 금속재 또는 세라믹으로 이루어진다.The intermediate plate is made of metal or ceramic.

본 발명은 평관형 단위셀 또는 평판형 단위셀을 이용하고, 한쪽 방향에만 메니폴드를 적용하며 U자형 연료가스 흐름을 갖도록 단전지 모듈 또는 스택 모듈을 구성한다. The present invention uses a flat tubular unit cell or a flat unit cell, applies a manifold only in one direction, and configures a unit cell module or a stack module to have a U-shaped fuel gas flow.

U자형 연료가스 흐름은 연료가스 또는 바깥쪽의 공기가 긴 패스(path)를 흐르면서 반응할 수 있게 표면적을 최대화하여 연료가스 또는 공기의 이용률을 극대화할 수 있는 효과가 있다. The U-shaped fuel gas flow has the effect of maximizing the utilization rate of fuel gas or air by maximizing the surface area so that the fuel gas or outside air can react while flowing through a long path.

특히, 메니폴드는 평관형 단위셀과 평판형 단위셀의 반을 나누어 연료가스의 유입과 배출을 하나의 메니폴드에서 수행되도록 하므로 밀봉 효율을 높일 수 있고, 연료가스의 유입과 배출이 하나의 메니폴드에서 이루어지므로 메니폴드와 단위셀들이 연결되는 부분만 용접 및 밀봉재 처리하여 고정함으로써 스택 모듈의 안정성을 보다 높일 수 있고, 유입되는 연료가스와 배출되는 고온의 반응가스와의 열교환을 기능을 가져 연료전지와 전해셀의 성능 및 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. In particular, the manifold divides half of the flat tube-type unit cell and the flat-type unit cell so that the inflow and discharge of fuel gas are performed in one manifold, so that the sealing efficiency can be improved, and the inflow and discharge of fuel gas are performed in one manifold. Therefore, it is possible to increase the stability of the stack module by fixing only the part where the manifold and unit cells are connected by welding and sealing material, and it has the function of heat exchange between the incoming fuel gas and the discharged high-temperature reaction gas. There is an effect that can improve the performance and efficiency of.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 평관형 단위셀을 보인 단면 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 평관형 단위셀의 제작 공정을 설명하기 위한 도면.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 의한 평관형 단위셀의 일단에 상부 캡을 결합하고 타단에 셀 하부 슬릿을 결합하여 단전지 모듈을 형성한 모습을 보인 정면도.
도 3b는 도 3a의 단면도.
도 3c는 도 3a를 A 방향에서 보인 저면도.
도 4는 도 3a의 단전지 모듈에 메니폴드를 결합한 모습을 보인 단면도.
도 5는 도 3a의 단전지 모듈을 다수개 적층하여 스택 모듈을 형성한 상태를 도 4의 A 방향에서 보인 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예로 중간판을 보인 정면도.
도 7a은 도 6의 중간판을 적용하여 평판형 단위셀을 제작하는 공정을 설명하기 위한 도면.
도 7b는 도 6의 중간판을 적용하여 제작한 평판형 단위셀을 도 6의 A 방향에서 보인 도면.
도 7c는 도 6의 중간판을 적용하여 제작한 평판형 단위셀을 도 6의 B-B 방향으로 자른 상태를 보인 도면.
도 7d는 도 6의 중간판을 적용하여 제작한 평판형 단위셀을 도 6의 C-C 방향으로 자른 상태를 보인 도면.
1 is a cross-sectional perspective view showing a flat tubular unit cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining a manufacturing process of the flat tubular unit cell according to an embodiment of the present invention.
3A is a front view showing a state in which a unit cell module is formed by combining an upper cap to one end of a flat tubular unit cell and a lower slit of the cell to the other end according to an embodiment of the present invention.
Figure 3b is a cross-sectional view of Figure 3a.
Fig. 3c is a bottom view of Fig. 3a in the direction A;
Figure 4 is a cross-sectional view showing a state in which the manifold is coupled to the unit cell module of Figure 3a.
FIG. 5 is a view showing a state in which a stack module is formed by stacking a plurality of unit cell modules of FIG. 3A from the direction A of FIG. 4.
Figure 6 is a front view showing an intermediate plate in another embodiment of the present invention.
7A is a diagram illustrating a process of manufacturing a flat unit cell by applying the intermediate plate of FIG. 6.
FIG. 7B is a view showing a flat unit cell manufactured by applying the intermediate plate of FIG. 6 in a direction A of FIG. 6.
7C is a view showing a state in which a flat unit cell manufactured by applying the intermediate plate of FIG. 6 is cut in the BB direction of FIG. 6.
FIG. 7D is a view showing a state in which a flat unit cell manufactured by applying the intermediate plate of FIG. 6 is cut in the CC direction of FIG. 6.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀은 평관형 단위셀 또는 평판형 단위셀을 이용하고, 한쪽 방향에만 메니폴드를 적용하며 U자형 연료가스 흐름을 갖도록 단전지 모듈 또는 스택 모듈을 구성한다. U자형은 역U자형 구조도 포함한다.The solid oxide fuel cell and the solid oxide electrolysis cell of the present invention use a flat tubular unit cell or a flat unit cell, apply a manifold in only one direction, and configure a unit cell module or a stack module to have a U-shaped fuel gas flow. The U-shape also includes an inverted U-shape.

설명의 편의를 위해 평관형 단위셀을 이용하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀 및 평판형 단위셀을 이용하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀로 나누어 설명하기로 한다.For convenience of explanation, a solid oxide fuel cell using a flat tubular unit cell, a solid oxide electrolysis cell, and a solid oxide fuel cell using a flat unit cell, and a solid oxide electrolysis cell will be described.

[일 실시예][One Example]

일 실시예는 평관형 단위셀을 이용하여 단전지 모듈 또는 스택 모듈을 구성할 수 있다. In an embodiment, a single cell module or a stack module may be configured using a flat tubular unit cell.

도 1에 도시된 바와 같이, 평관형 단위셀(100)은 길이방향으로 연료가스 이동을 위한 다수 개의 관형 통공(111)이 형성된다. 평관형 단위셀(100)은 평관형 지지체(110), 전해질막(120), 세라믹 연결재(130) 및 공기극(140)을 포함한다. 연료가스는 수소가스를 예로 들어 설명한다.As shown in Figure 1, the flat tubular unit cell 100 is formed with a plurality of tubular through-holes 111 for fuel gas movement in the longitudinal direction. The flat tubular unit cell 100 includes a flat tubular support 110, an electrolyte membrane 120, a ceramic connector 130, and a cathode 140. The fuel gas will be described using hydrogen gas as an example.

평관형 지지체(110)는 연료극 겸 지지체이다. 평관형 지지체(110)는 Ni0-YSZ로 이루어진 다공성 세라믹 지지체일 수 있다. 지지체인 연료극의 다공성 세라믹은 가스 이동과 산소 이온 그리고 전자를 각각 이동 가능하게 한다. 평관형 지지체(110)는 소정의 길이와 두께를 갖는 직육면체 형상으로 형성된다. 평관형 지지체(110)는 길이방향으로 연료가스 이동을 위한 다수 개의 관형 통공(111)이 형성된다. 관형 통공(111)은 연료가스 또는 바깥쪽의 공기가 긴 패스(path)를 흐르면서 반응할 수 있게 표면적을 최대화하여 연료가스 또는 공기의 이용률을 극대화할 수 있다.The flat tubular support 110 is both an anode and a support. The flat tubular support 110 may be a porous ceramic support made of Ni0-YSZ. The porous ceramic of the anode, which is a support, allows gas to move, oxygen ions, and electrons, respectively. The flat tubular support 110 is formed in a rectangular parallelepiped shape having a predetermined length and thickness. The flat tubular support 110 is formed with a plurality of tubular through holes 111 for fuel gas movement in the longitudinal direction. The tubular through-hole 111 maximizes a surface area so that fuel gas or outside air can react while flowing through a long path to maximize the utilization rate of fuel gas or air.

관형 통공(111)은 단면이 원형 또는 사각형으로 될 수 있다. 예를 들어, 평관형 지지체는 길이가 약 200mm, 폭이 약 40mm, 두께가 약 5mm의 길이로 제작될 수 있다. 관형 통공(111)은 약 2.8mm의 정사각형 단면을 가지며 왼쪽으로 6개, 오른쪽으로 6개씩 12개가 형성될 수 있다. 실시예에서 관형 통공(111)은 약 2.8mm의 정사각형 단면을 가지며, 왼쪽으로 3개, 오른쪽으로 3개씩 6개가 있도록 형성된 것을 예로 들어 도시하였다. The tubular through hole 111 may have a circular or rectangular cross section. For example, the flat tubular support may have a length of about 200 mm, a width of about 40 mm, and a thickness of about 5 mm. The tubular through-holes 111 have a square cross section of about 2.8 mm, and 12 may be formed by 6 to the left and 6 to the right. In the embodiment, the tubular through-hole 111 has a square cross-section of about 2.8 mm, and is shown as an example that is formed to have three to the left and three to the right.

평관형 지지체(110)의 일면과 양측면 및 일면과 반대되는 타면 일부를 감싸도록 전해질막(120)이 코팅되고, 전해질막(120)이 코팅된 반대면에 해당하는 평관형 지지체(110)의 타면에서 평관형 지지체(110)가 노출되는 부분에 세라믹 연결재(130)가 코팅되고, 전해질막(120)에 공기극(140)이 코팅되어 공기극/전해질막/평관형 지지체/세라믹 연결재로 구성된 평관형 단위셀(100)을 제작할 수 있다. 세라믹 연결재(130)는 전해질막(120)과 연결되게 평관형 지지체(110)가 노출되는 부분에 코팅되거나 밀봉 효율을 높이기 위해 평관형 지지체(110)가 노출되는 부분에 노출 부분 보다 넓은 면적으로 코팅될 수 있다.The electrolyte membrane 120 is coated to cover one side and both sides of the flat tubular support 110 and a part of the other side opposite to the one side, and the other side of the flat tubular support 110 corresponding to the opposite side coated with the electrolyte membrane 120 A flat tubular unit consisting of a cathode/electrolyte membrane/flat tubular support/ceramic connector by coating the ceramic connector 130 on the exposed portion of the flat tubular support 110 and coating the cathode 140 on the electrolyte membrane 120 The cell 100 can be manufactured. The ceramic connector 130 is coated on a portion where the flat tubular support 110 is exposed to be connected to the electrolyte membrane 120 or coated with a larger area than the exposed portion on the portion where the flat tubular support 110 is exposed to increase sealing efficiency. Can be.

공기극(140)은 평관형 지지체(110)의 일면 폭보다 좁은 폭으로 전해질막(120)의 일면에 코팅한다. 바람직하게는 공기극(140)은 세라믹 연결재(130)와 대응되는 폭으로 전해질막(120)의 일면에 코팅된다. 공기극(140)이 평관형 지지체(110)의 폭과 동일한 폭으로 전해질막(120)에 코팅되면 스택(모듈) 제작시 공기극측 메니폴드에 사용시 금속 부분과 접촉하여 쇼트 발생의 우려가 있다. 따라서 도 1과 같이 공기극(140)은 평관형 지지체(110)의 일면 폭 및 길이 보다 좁은 폭과 길이로 전해질막(120)의 일면에 코팅한다. The cathode 140 is coated on one side of the electrolyte membrane 120 with a width narrower than the width of one side of the flat tubular support 110. Preferably, the cathode 140 is coated on one surface of the electrolyte membrane 120 to have a width corresponding to that of the ceramic connector 130. If the cathode 140 is coated on the electrolyte membrane 120 to have the same width as the width of the flat tubular support 110, there is a concern that a short circuit may occur due to contact with a metal part when used on the cathode side manifold when manufacturing the stack (module). Accordingly, as shown in FIG. 1, the cathode 140 is coated on one side of the electrolyte membrane 120 with a width and length narrower than the width and length of one side of the flat tubular support 110.

평관형 지지체(110)의 일면과 양측면 및 일면과 반대되는 타면 일부를 감싸도록 코팅되는 전해질막(120)은 평관형 단위셀(100)의 폭 방향 양단에서 가스 누설이 생기지 않도록 밀봉하는 역할을 한다.The electrolyte membrane 120 coated to cover one side and both sides of the flat tubular support 110 and a portion of the other side opposite to one side serves to seal the flat tubular unit cell 100 so that gas leakage does not occur at both ends in the width direction. .

평관형 지지체(110)는 Ni0-YSZ, 전해질막(120)은 YSZ, 세라믹 연결재(130)는 LST와 LSF, 공기극(140)은 GDC, LSCF-GDC, LSC의 조성으로 이루어진다. The flat tubular support 110 is made of Ni0-YSZ, the electrolyte membrane 120 is YSZ, the ceramic connector 130 is LST and LSF, and the air electrode 140 is made of GDC, LSCF-GDC, and LSC.

YSZ는 지르코니아계 세라믹스(이트리아 안정화 지르코니아)이고, LST와 LSF은 란탄늄계 페로브스카이트이며, LSCF는 란탄 스트론튬 코발트 철 복합산화물이다. YSZ is zirconia-based ceramics (yttria stabilized zirconia), LST and LSF are lanthanum-based perovskite, and LSCF is lanthanum strontium cobalt iron composite oxide.

구체적으로, YSZ는 ZrO2-8molY2O3이다. NiO-YSZ는 NiO와 YSZ의 복합체이고 NiO와 YSZ는 무게비로 0.1≤x≤0.9의 조성을 가질 수 있으며 이중에서 무게비로 1:1인 조성에서 가장 우수한 특성을 갖는다.Specifically, YSZ is ZrO 2 -8 molY 2 O 3 . NiO-YSZ is a composite of NiO and YSZ, and NiO and YSZ can have a composition of 0.1≤x≤0.9 by weight ratio, and of them, have the best characteristics in a composition of 1:1 by weight ratio.

LST는 LaxSr1-xTiO3(0.1≤x≤0.9)이며, 실시예 x=0.3에서 성능이 가장 우수하다. LSF는 LaxSr1-xFeO3(0.1≤x≤0.9)이며, 실시예 x=0.6에서 성능이 가장 우수하다. LST is La x Sr 1-x TiO 3 (0.1≤x≤0.9), and the performance is the best in Example x=0.3. LSF is La x Sr 1-x FeO 3 (0.1≦ x ≦0.9), and the performance is the best in Example x=0.6.

LSC는 LaxSr1-xCoO3(0.1≤x≤0.9)이며, 실시예 x=0.6에서 성능이 가장 우수하다. LSCF는 (LaxSr1-x)(CoyFe1-y)O3(0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9)이며, 실시예 x=0.6, y=0.2에서 성능이 가장 우수하다. GDC는 (CeO2-xGd2O3)(1mol%≤x≤30mol%)이며, 실시예 x=10mol%에서 성능이 가장 우수하다.LSC is La x Sr 1-x CoO 3 (0.1≤x≤0.9), and the performance is the best in Example x=0.6. LSCF is (La x Sr 1-x)( C oy Fe 1-y) O 3 (0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9), and has the best performance in Example x=0.6, y=0.2 . GDC is (CeO 2 -xGd 2 O 3 ) (1 mol%≤x≤30mol%), and the performance is best in Example x=10mol%.

평관형 단위셀(100)은 다음과 같은 공정으로 제작할 수 있다.The flat tubular unit cell 100 can be manufactured by the following process.

도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 연료극 겸 지지체인 NiO-YSZ 평관형 지지체(110)를 제작한다. NiO-YSZ 평관형 지지체(110)를 제작하기 위해서 NiO와 YSZ를 알콜(또는 물) 및 유기바인더 그리고 기공형성제를 포함하여 혼합한 후 평관형 지지체 형상으로 압출 성형한다. 이를 건조한 후 1000℃이상의 온도에서 예비 열처리(예비 소결)하여 평관형 지지체(110)를 제작한다. 예를 들어, 소결 후 평관형 지지체(110)의 최종크기는 길이가 175mm, 폭은 55mm 내외 두께는 5mm 내외로 제작할 수 있다. 평관형 지지체의 중심에는 원형 또는 사각인 다수 개의 관형 통공(hole)이 있도록 한다. 본 실시예에서는 약 2.8mm의 정사각형 관형 통공(111)이 왼쪽으로 3개 오른쪽으로 3개씩이 있어 모두 6개의 홀이 있게 도시하였다. As shown in FIG. 2, first, a NiO-YSZ flat tubular support 110, which is both an anode and a support, is manufactured. In order to manufacture the NiO-YSZ flat tubular support 110, NiO and YSZ are mixed with alcohol (or water), an organic binder, and a pore former, and then extruded into a flat tubular support. After drying it, a preliminary heat treatment (pre-sintering) at a temperature of 1000° C. or higher is performed to manufacture the flat tubular support 110. For example, after sintering, the final size of the flat tubular support 110 may be 175 mm long and 55 mm wide and 5 mm thick. In the center of the flat tubular support, a plurality of circular or rectangular tubular holes are provided. In this embodiment, there are three square tubular through holes 111 of about 2.8 mm to the left and three to the right, so that all six holes are shown.

실제로 제작되는 평관형 단전지 모듈 또는 스택 모듈에서는 6개의 관형 통공에서 왼편의 3개를 연료가스 입구측으로 사용하고 오른편의 3개를 반응 가스 출구측으로 사용할 수 있다.In the actually manufactured flat tubular unit cell module or stack module, three of the left side of the six tubular through holes can be used as the fuel gas inlet side, and three of the right side can be used as the reactive gas outlet side.

다공성(porous)으로서 연료극 겸 지지체인 평관형 지지체(110)를 NiO-YSZ(1:1)의 조성으로 압출성형과 소결처리로 제작한 다음, 산소이온 전도체인 YSZ를 평관형 지지체(110)에 슬러리 코팅하고 건조후 예비 소결하여 약 10~40㎛의 두께로 표면을 코팅하여 전해질막(120)을 형성한다. The flat tubular support 110, which is a porous anode and support, is manufactured by extrusion molding and sintering in a composition of NiO-YSZ (1:1), and then YSZ, an oxygen ion conductor, is attached to the flat tubular support 110. After slurry coating and drying, preliminary sintering is performed to coat the surface to a thickness of about 10 to 40 μm to form the electrolyte membrane 120.

슬러리는 약 50g의 YSZ 분말을 에칠알콜 400cc와 피쉬오일 10cc 그리고 유기 바인더인 PVB에 녹이고 분산시켜서 제조한다. 평관형 지지체(110)에서 세라믹 연결재를 코팅할 타면은 양면테이프와 같은 유기물로 부착하여 열처리시 YSZ가 코팅되지 못하도록 한다. 따라서 양면테이프와 같은 유기물로 부착한 평관형 지지체(110)의 타면을 제외한 나머지 3면을 YSZ로 코팅할 수 있다. 바람직하게는 평관형 지지체(110)의 일면과 양측면 및 일면과 반대되는 타면 일부를 YSZ로 코팅할 수 있다. 더 바람직하게는 평관형 지지체(110)에서 양면테이프와 같은 유기물로 부착한 면을 제외한 나머지 면이 YSZ로 코팅될 수 있다.The slurry is prepared by dissolving and dispersing about 50 g of YSZ powder in 400 cc of ethyl alcohol, 10 cc of fish oil, and PVB, an organic binder. The other surface of the flat tubular support 110 to be coated with the ceramic connector is attached with an organic material such as double-sided tape to prevent YSZ from being coated during heat treatment. Therefore, it is possible to coat the other three surfaces of the flat tubular support 110 attached with an organic material such as double-sided tape with YSZ except for the other surface. Preferably, one side and both sides of the flat tubular support 110 and a portion of the other side opposite to the side may be coated with YSZ. More preferably, the remaining surfaces of the flat tubular support 110 may be coated with YSZ except for a surface attached with an organic material such as double-sided tape.

평관형 지지체(110)에 YSZ를 코팅한 후 예비 소결온도인 1250℃에서 다시 열처리한다. 열처리후 양면 테이프가 있던 곳은 YSZ 부분이 떨어져 나가고 없어져 NiO-YSZ 평관형 지지체(110)의 표면이 그대로 노출된다. After coating YSZ on the flat tubular support 110, heat treatment is performed again at 1250°C, which is a pre-sintering temperature. After the heat treatment, the YSZ portion is removed from the place where the double-sided tape was located, so that the surface of the NiO-YSZ flat tubular support 110 is exposed as it is.

다음으로 평관형 지지체(110)가 노출된 부분을 세라믹 연결재의 한 성분인 LST로 코팅한다. 슬러리용 페이스트 점도를 높여 LST 조성의 페이스트를 먼저 제조하고, 노출된 NiO-YSZ 부분 보다 넓은 면적으로 코팅한다. 이때, 코팅은 스크린 프린팅기를 이용할 수 있다. YSZ 평관형 지지체(110)의 표면이 노출된 부분에 LST 조성으로 코팅하고 1250℃로 열처리하여 세라믹 연결재의 첫 번째 층을 코팅한다. 다음으로는 세라믹 연결재의 두 번째 층을 LSF 조성으로 코팅한다.Next, the portion where the flat tubular support 110 is exposed is coated with LST, which is a component of the ceramic connector. By increasing the viscosity of the slurry paste, a paste having an LST composition is first prepared, and then coated with a larger area than the exposed NiO-YSZ portion. In this case, a screen printing machine may be used for coating. The surface of the YSZ flat tubular support 110 is coated with an LST composition and heat-treated at 1250° C. to coat the first layer of the ceramic connector. Next, a second layer of ceramic connector is coated with the LSF composition.

LST 조성과 같은 조건으로 LSF 조성의 페이스트를 제조한 후, LST 조성의 위에 스크린 프린팅하여 치밀막을 제조한다. 다음으로 건조하고 1250℃에서 예비 소결한다. 이렇게 만들어진 셀의 예비 소결체를 최종적으로 1500℃이상의 고온으로 같이 동시에 열처리(공소결)하여 전해질막(YSZ막)/평관형 지지체(NiO-YSZ)/세라믹 연결재(LST막+LSF막)로 구성된 단위셀을 제작한다. 최종 소결시 각각의 성분은 소결 수축율의 차이로 휨이 발생할 수 있으므로 알루미나 브릭 등으로 눌러서 소결하거나 누르기로 소결하여 도 2의 (c)에 도시된 바와 같은 편평한 모양의 전해질막/평관형 지지체/세라믹 연결재로 구성되는 단위셀을 제작한다.After preparing a paste of the LSF composition under the same conditions as the LST composition, a dense film is prepared by screen printing on the LST composition. It is then dried and pre-sintered at 1250°C. A unit consisting of an electrolyte membrane (YSZ membrane)/flat tubular support (NiO-YSZ)/ceramic connector (LST membrane+LSF membrane) by simultaneously heat-treating (co-sintering) the pre-sintered body of the resulting cell at a high temperature of 1500℃ or higher. Build the cell. During final sintering, each component may be warped due to the difference in sintering shrinkage, so it is sintered by pressing with an alumina brick, or sintered by pressing, and the electrolyte membrane/flat support/ceramic in a flat shape as shown in Fig.2(c). A unit cell composed of a connector is manufactured.

도 2의 (d)에 도시된 바와 같이, 전해질막(120)에 공기극(140)을 코팅한다. 공기극(140)은 GDC를 1차 공기극으로 프린팅하고 1250℃에서 열처리하며, 다시 LSCF-GDC 혼합공기극을 2차 공기극으로 프린팅하고 1100℃열처리하며, 마지막으로 3차 공기극으로 LSC를 프린팅한 후, 약 800℃에서 열처리하여, 도 2의 (d)에 도시된 바와 같은 최종 평관형 단위셀(100)을 제조한다. As shown in (d) of FIG. 2, the cathode 140 is coated on the electrolyte membrane 120. The cathode 140 prints GDC as a primary cathode and heat-treats at 1250°C, and then prints the LSCF-GDC mixed cathode as a secondary cathode and heat-treats at 1100°C. Finally, after printing LSC as a tertiary cathode, about By heat treatment at 800° C., a final flat tubular unit cell 100 as shown in FIG. 2(d) is manufactured.

도 2의 (e)에 도시된 바와 같이, 평관형 단위셀(100)들은 셀간 연결재로 적층하여 스택을 형성할 수 있다.As shown in (e) of FIG. 2, the flat tubular unit cells 100 may be stacked with an inter-cell connector to form a stack.

셀간 연결재는 평관형 단위셀(100) 간 공간을 채우면서 전기적 접촉 역할과 공기극(140)에 공기 유입이 가능하도록 집전층, 다공성의 집전체, 집전 메쉬 중 선택된 1종 또는 이들의 조합으로 형성할 수 있다. The cell-to-cell connector may be formed of one selected from among a current collector layer, a porous current collector, and a current collector mesh, or a combination thereof, so as to fill the space between the flat tubular unit cells 100 and provide electrical contact and air inflow into the cathode 140. I can.

실시예에서는 셀간 연결재는 공기극(140)에 부착 또는 도포한 집전층(150)과 집전층(150)의 상부에 거치한 집전체(160)를 포함하고, 집전체(160)와 세라믹 연결재(130)의 사이에도 집전층(150)을 부착 또는 도포하여 집전 효율을 향상시킬 수 있도록 한다. 집전층(150)은 LSM, LSF, LSC, Ag(은 페이스트) 등으로 이루어질 수 있다.In the embodiment, the cell-to-cell connector includes a current collector layer 150 attached or coated on the cathode 140 and a current collector 160 mounted on the current collector layer 150, and the current collector 160 and the ceramic connector 130 ) By attaching or applying the current collecting layer 150 between them to improve the current collecting efficiency. The current collecting layer 150 may be formed of LSM, LSF, LSC, Ag (silver paste), or the like.

집전체(160)는 공기극(140)으로 공기가 유입되는 유로부를 형성한다. 집전체(160)는 주름식 또는 메쉬 형태로 도시하였다. The current collector 160 forms a flow path through which air is introduced into the cathode 140. The current collector 160 is illustrated in a pleated or mesh form.

도 3a에 도시된 바와 같이, 평관형 단위셀(100)의 일단에 상부 캡(200)을 결합하고 반대되는 타단에 셀 하부 슬릿(300)을 결합하여 단전지 모듈을 형성할 수 있다. As shown in FIG. 3A, a unit cell module may be formed by combining the upper cap 200 at one end of the flat tubular unit cell 100 and the lower slit 300 at the opposite end of the cell.

도면상 평관형 단위셀(100)에서 일단은 상부 측이 되고, 타단은 하부 측이 된다. In the drawing, in the flat tubular unit cell 100, one end becomes the upper side and the other end becomes the lower side.

상부 캡(200)은 평관형 단위셀(100)의 일단에 대응되는 사각 캡 형상으로 형성된다. 상부 캡(200)은 평관형 단위셀(100)의 길이방향 일단에 결합되어 다수 개의 관형 통공(111)을 서로 연통시키면서 평관형 단위셀(100)의 일단을 외부와 차폐한다. 즉, 상부 캡(200)은 평관형 단위셀(100)의 상부 측을 막는 마개 역할을 하면서 평관형 단위셀(100)의 상부 측에 다수 개의 관형 통공들(111a,111b)을 서로 연통시키는 공간(210)을 형성한다. The upper cap 200 is formed in a square cap shape corresponding to one end of the flat tubular unit cell 100. The upper cap 200 is coupled to one end in the longitudinal direction of the flat tubular unit cell 100 and shields one end of the flat tubular unit cell 100 from the outside while communicating a plurality of tubular through holes 111 with each other. That is, the upper cap 200 serves as a stopper blocking the upper side of the flat tubular unit cell 100 and a space for communicating a plurality of tubular through holes 111a and 111b on the upper side of the flat tubular unit cell 100 Form 210.

도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 셀 하부 슬릿(300)은 평관형 단위셀(100)의 길이방향 타단에 결합된다. 셀 하부 슬릿(300)은 다수 개의 관형 통공(111)을 개구시키는 개구부(320)가 형성된다. 셀 하부 슬릿(300)은 저면 테두리에서 반을 나누는 위치에 끼움홈(330)이 형성된다. 끼움홈(330)에는 후술할 격판이 끼워져 다수 개의 관형 통공(111)을 반으로 나눈다. 셀 하부 슬릿(300)은 후술할 메니폴드와 평관형 단위셀(100)을 용이하게 연결하기 위한 것이다. 실시예에서 끼움홈(330)은 셀 하부 슬릿(300)의 저면 테두리에서 반을 나누는 위치에 사각 형상으로 요입 형성되나, 끝단이 뾰족한 삼각형 형상으로 요입 형성될 수도 있다.3B and 3C, the cell lower slit 300 is coupled to the other end of the flat tubular unit cell 100 in the longitudinal direction. The cell lower slit 300 has an opening 320 for opening a plurality of tubular through holes 111. In the lower cell slit 300, a fitting groove 330 is formed at a position that divides half at the bottom edge. A diaphragm, which will be described later, is inserted into the fitting groove 330 to divide a plurality of tubular through holes 111 in half. The cell lower slit 300 is for easily connecting the manifold and the flat tubular unit cell 100 to be described later. In the embodiment, the fitting groove 330 is formed in a rectangular shape at a position dividing a half from the bottom edge of the cell lower slit 300, but may be concave in a triangular shape with a pointed end.

상부 캡(200)과 셀 하부 슬릿(300)은 평관형 단위셀(100)의 일단과 타단에 결합되고 결합된 부분을 고온 밀봉 유리로 부착하여 밀봉된다. 상부 캡(200)과 셀 하부 슬릿(300)은 금속 또는 세라믹 재질로 형성될 수 있다. 평관형 단위셀(100)에 상부 캡(200)과 셀 하부 슬릿(300)이 부착되어 형성되는 단전지 모듈은 가스밀봉이 용이하고 서로 간의 연결이 용이하다.The upper cap 200 and the lower cell slit 300 are coupled to one end and the other end of the flat tubular unit cell 100 and are sealed by attaching the coupled portion with a high-temperature sealing glass. The upper cap 200 and the lower cell slit 300 may be formed of a metal or ceramic material. The unit cell module formed by attaching the upper cap 200 and the lower cell slit 300 to the flat tubular unit cell 100 facilitates gas sealing and facilitates connection with each other.

도 3b에 도시된 바와 같이, 평관형 단위셀(100)은 상부 캡(200) 및 셀 하부 슬릿(300)과 결합되는 부분에 전해질막(120)이 감싸 밀봉 및 절연 기능을 유지하며, 도 3a 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 공기극(140) 및 세라믹 연결재(130)는 상부 캡(200) 및 셀 하부 슬릿(300)과 접촉하지 않아 전기적 쇼트 발생이 방지된다. As shown in FIG. 3B, the flat tubular unit cell 100 is wrapped with an electrolyte membrane 120 in a portion coupled to the upper cap 200 and the lower slit 300 to maintain sealing and insulating functions, and FIG. 3A And, as shown in FIG. 3C, the cathode 140 and the ceramic connector 130 do not contact the upper cap 200 and the lower slit 300 of the cell to prevent an electrical short.

도 4에 도시된 바와 같이, 단전지 모듈의 셀 하부 슬릿(300)에 메니폴드(400)가 결합된다. 메니폴드(400)는 다수 개의 관형 통공(111)과 연통되는 공간(420,430)이 형성되고 연료가스가 주입되는 연료가스 입구(450)와 연료가스가 배출되는 반응 가스 출구(460)가 구비된다. 메니폴드(400)는 메니폴드(400) 내의 공간(420,430) 및 다수 개의 관형 통공(111)을 반으로 나누어 연료가스의 흐름을 U자형(도면상 역U자형)으로 형성한다. As shown in FIG. 4, the manifold 400 is coupled to the slit 300 under the cell of the unit cell module. The manifold 400 is provided with spaces 420 and 430 communicating with a plurality of tubular through-holes 111, and a fuel gas inlet 450 into which fuel gas is injected and a reaction gas outlet 460 through which fuel gas is discharged. The manifold 400 divides the spaces 420 and 430 and a plurality of tubular through holes 111 in the manifold 400 in half to form a flow of fuel gas in a U shape (inverted U shape in the drawing).

메니폴드(400)는 격판(410)이 메니폴드(400) 내의 공간(420,430) 및 다수 개의 관형 통공(111)을 반으로 나눈다. 격판(410)은 메니폴드(400)에 구비되어 메니폴드(400)를 셀 하부 슬릿(300)과 결합시 셀 하부 슬릿(300)의 끼움홈(330)에 결합되어 공간(420,430) 및 다수 개의 관형 통공(111a,111b)을 반으로 나눈다.In the manifold 400, the diaphragm 410 divides the spaces 420 and 430 in the manifold 400 and a plurality of tubular through holes 111 in half. The diaphragm 410 is provided in the manifold 400 and is coupled to the fitting groove 330 of the cell lower slit 300 when the manifold 400 is coupled with the cell lower slit 300 to provide spaces 420 and 430 and a plurality of tubular through holes. Divide (111a, 111b) in half.

격판(410)은 메니폴드(400) 내의 공간(420,430)을 다수 개의 관형 통공(111)의 반(도면상 왼쪽의 3개의 관형 통공(111a))과 연통되어 입구측 메니폴드 역할을 하는 제1 공간(420)과 다수 개의 관형 통공(111)의 나머지 반(도면상 오른쪽의 3개의 관형 통공(111b))과 연통되어 출구측 메니폴드 역할을 하는 제2 공간(430)으로 나눈다. 격판(410)은 셀 하부 슬릿(300)의 끼움홈(330)에 결합되어 평관형 지지체(110)와 밀착되므로 제1 공간(420)과 제2 공간(430)을 완벽하게 분리한다. The diaphragm 410 communicates with the spaces 420 and 430 in the manifold 400 with half of the plurality of tubular through-holes 111 (three tubular through-holes 111a on the left in the drawing) to serve as the inlet side manifold ( It is divided into a second space 430 that communicates with 420 and the other half of the plurality of tubular through holes 111 (three tubular through holes 111b on the right in the drawing) and serves as an exit manifold. The diaphragm 410 is coupled to the fitting groove 330 of the cell lower slit 300 and is in close contact with the flat tubular support 110, so that the first space 420 and the second space 430 are completely separated.

연료가스(수소 등) 입구(450)는 제1 공간(420)과 연통되고, 가스 출구(460)는 제2 공간(430)과 연통된다. 따라서, 연료가스 입구(450)로 주입된 연료가스는 제1 공간(420)을 통해 도면상 왼쪽의 3개의 관형 통공(111a)을 통해 상부 캡(200) 방향으로 이동하고, 상부 캡(200)의 공간(210)을 통해 도면상 오른쪽의 3개의 관형 통공(111b)을 통해 셀 하부 슬릿(300) 방향으로 이동하고 제2 공간(430)으로 유입된 후 제2 공간(430)의 가스 출구(460)로 나가는 연료가스의 U자 흐름을 형성하게 된다. 반응 가스 출구(460)를 통해 미반응된 연료가스(수소 등)와 증기(물)가 배출된다. The fuel gas (hydrogen, etc.) inlet 450 communicates with the first space 420, and the gas outlet 460 communicates with the second space 430. Therefore, the fuel gas injected into the fuel gas inlet 450 moves in the direction of the upper cap 200 through the three tubular through holes 111a on the left side of the drawing through the first space 420, and the upper cap 200 The gas outlet of the second space 430 after moving in the direction of the lower cell slit 300 through the three tubular through holes 111b on the right side of the drawing and flowing into the second space 430 ( A U-shaped flow of fuel gas going out to 460 is formed. Unreacted fuel gas (hydrogen, etc.) and steam (water) are discharged through the reaction gas outlet 460.

고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀은 공기극과 연료극에 공기와 연료가스(전해셀의 경우 스팀증기와 수소)를 각각 공급해주면 공기극에서 산소의 환원반응이 일어나 산소이온이 생성되고 전해질막을 통해 연료극으로 이동하며, 연료극에서는 관형 통공을 흐르는 연료가스와 산소이온이 반응하여 증기(물)로 산화되면서 전기를 생산하게 된다. 이러한 반응과정에서 생성된 고온의 증기와 미반응된 수소가 반응 가스 출구(460)를 통해 배출된다. In the solid oxide fuel cell and the solid oxide electrolytic cell, when air and fuel gas (steam vapor and hydrogen in the case of an electrolytic cell) are supplied to the cathode and the anode, respectively, oxygen reduction reaction occurs at the cathode and oxygen ions are generated and transferred to the anode through the electrolyte membrane. It moves, and in the anode, the fuel gas flowing through the tubular through-hole reacts with oxygen ions and is oxidized to steam (water) to produce electricity. The high-temperature steam and unreacted hydrogen generated in the reaction process are discharged through the reaction gas outlet 460.

전해셀의 경우는 연료가스측에 스팀증기와 수소가 주입되고 외부에서 가해준 전기에너지에 의해 스팀이 연료극으로부터 수소와 산소로 분해되고 이중에 분해된 산소는 이온화되어 전해질막을 통과하여 반대측 공기극에 도달하고 다시 산소 기체로 전환되어 수소와 산소가 각각의 연료극과 공기극에서 생산된다. 마찬가지로 반응생성된 산소가스는 공기극으로부터 외부로 배출되고, 고온의 미반응된 스팀과 생성된 수소 가스는 연료극으로부터 반응 가스 출구를 통해 배출된다.In the case of the electrolytic cell, steam vapor and hydrogen are injected into the fuel gas side, and the steam is decomposed from the anode into hydrogen and oxygen by the electric energy applied from the outside, and the decomposed oxygen is ionized and passed through the electrolyte membrane to reach the opposite cathode. Then, it is converted back to oxygen gas, and hydrogen and oxygen are produced in the respective anode and cathode. Likewise, the oxygen gas generated by reaction is discharged from the cathode to the outside, and the high-temperature unreacted steam and generated hydrogen gas are discharged from the anode through the reaction gas outlet.

도 4에 도시된 바와 같이, 메니폴드(400)는 평관형 단위셀(100)의 일단에 상부 캡(200)을 결합하고 타단에 셀 하부 슬릿(300)을 결합하여 형성한 단전지 모듈의 셀 하부 슬릿(300)과 결합되어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성할 수 있다. As shown in Figure 4, the manifold 400 is formed by combining the upper cap 200 to one end of the flat tubular unit cell 100 and the cell lower slit 300 to the other end of the unit cell module It is combined with the slit 300 to form a flow of fuel gas in a U shape.

또한, 평관형 단위셀(100)의 한쪽 방향에만 메니폴드(400)를 적용하므로 평관형 단위셀(100)의 자유로운 신축이 가능하다. 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀의 경우 정상운전을 위한 최초 환원반응이 평관형 단위셀(100)의 길이 방향 또는 폭 방향 수축을 발생하고 환원반응이 종료되거나 또는 일부 산화반응이 진행된다면 원래의 크기로 돌아오기도 하는데 이때 각 단계에서 약 5~10%의 길이변화를 수반한다. In addition, since the manifold 400 is applied only in one direction of the flat tubular unit cell 100, the flat tubular unit cell 100 can be freely stretched and contracted. In the case of the solid oxide fuel cell and the solid oxide electrolytic cell, if the initial reduction reaction for normal operation causes contraction in the longitudinal direction or the width direction of the flat tubular unit cell 100 and the reduction reaction ends or some oxidation reaction proceeds, the original It also returns to size, which involves a change in length of about 5-10% at each stage.

따라서, 평관형 단위셀의 양쪽 방향에 메니폴드가 있으면 평관형 단위셀의 자유로운 신축을 방해함으로써 평관형 단위셀과 메니폴드를 연결하는 밀봉 부위에 크랙이 발생하여 가스누설을 유발하거나 심할 경우 평관형 단위셀의 수축을 억제하는 응력에 의한 평관형 단위셀의 파손을 유발할 수 있어 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀의 안정성에 문제가 될 수 있다. 구체적으로, 평관형 단위셀의 양쪽에 메니폴드를 고정하는 구조는 단위셀이 열사이클 운전에 따른 산화와 환원이 발생할 경우 각 단계에서 부피변화가 수반되면서 서로 다른 단위셀들이 두 군데의 메니폴드에 밀봉재로 고정되어 있어 부피 또는 길이 변화 차이를 극복하지 못해 상당히 큰 응력이 발생하고 이 값이 한계치를 넘어설 경우 기계적으로 취약한 부분에서 크랙이 발생하고 재료의 파괴가 일어나다. 따라서 연료가스의 누설이 발생하고 성능 열화와 부식이 급격하게 일어날 수 있다.Therefore, if there are manifolds in both directions of the flat tubular unit cell, cracks are generated in the sealing portion connecting the flat tubular unit cell and the manifold by interfering with the free expansion and contraction of the flat tubular unit cell, causing gas leakage, or in severe cases, the flat tubular unit cell. It may cause damage to the flat tubular unit cell due to stress that suppresses the shrinkage, which may cause a problem in the stability of the solid oxide fuel cell and the solid oxide electrolytic cell. Specifically, in the structure of fixing the manifolds on both sides of the flat tubular unit cell, when the unit cell undergoes oxidation and reduction due to thermal cycle operation, a volume change is accompanied in each step, and different unit cells are used as a sealing material in the two manifolds. Because it is fixed, it cannot overcome the difference in volume or length, and a considerable stress occurs. If this value exceeds the limit, cracks occur in the mechanically weak areas and the material breaks down. Therefore, fuel gas leakage may occur, and performance degradation and corrosion may occur rapidly.

그러나 본 실시예는 평관형 단위셀의 한쪽 방향에만 메니폴드를 고정하고 다른 한쪽은 자유롭게 거치되는 구조이므로 응력발생의 단점을 해소할 수 있다. However, in this embodiment, since the manifold is fixed only in one direction of the flat tubular unit cell and the other is mounted freely, the disadvantage of generating stress can be eliminated.

또한, 하나의 메니폴드(400)에 연료가스 입구(450)와 반응 가스 출구(460)가 형성되고 평관형 지지체(110)의 다수 개의 관형 통공(111)을 반으로 나누어 반은 연료가스 입구(450)와 연통되고 나머지 반은 반응 가스 출구(460)와 연통되게 하여 연료가스의 흐름을 U자형상으로 형성하므로 밀봉이 용이하고 연료가스 입구로 유입되는 연료가스와 반응 가스 출구로 배출되는 고온의 연료가스(전해셀의 경우, 스팀 및 수소)와 열교환 기능을 가져 연료전지의 성능 및 효율을 향상시킬 수 있고, 금속 재질인 메니폴드(400)에 열 충격이 최소화되어 안정성을 확보할 수 있다. In addition, a fuel gas inlet 450 and a reaction gas outlet 460 are formed in one manifold 400, and a plurality of tubular through holes 111 of the flat tubular support 110 are divided in half, and the fuel gas inlet 450 is divided into half. ), and the other half communicates with the reaction gas outlet 460 to form a U-shaped flow of fuel gas, so it is easy to seal, and the fuel gas flowing into the fuel gas inlet and the high-temperature fuel discharged through the reaction gas outlet By having a heat exchange function with gas (steam and hydrogen in the case of an electrolytic cell), the performance and efficiency of the fuel cell can be improved, and the thermal shock to the manifold 400 made of a metal material can be minimized to ensure stability.

또한, 연료가스가 하나의 평관형 단위셀의 관형 통공(111)을 흐르므로 상대적으로 긴 패스(path)를 흐르면서 전지반응에 참여할 수 있어, 연료가스의 이용률을 극대화할 수 있어 성능 및 효율 향상에 도움을 줄 수 있다.In addition, since fuel gas flows through the tubular through-hole 111 of one flat tubular unit cell, it is possible to participate in the cell reaction while flowing through a relatively long path, thereby maximizing the utilization rate of fuel gas, thereby improving performance and efficiency. Can help.

또한, 메니폴드(400)는 셀 하부 슬릿(300)과 접촉하는 부분에 세라믹 코팅하여 금속 재질인 셀 하부 슬릿(300)과 절연 유지되게 할 수 있다. 또는, 메니폴드(400)는 절연을 위해 세라믹 소재로 형성할 수도 있다. In addition, the manifold 400 may be ceramic coated on a portion in contact with the lower cell slit 300 so as to be insulated from the lower cell slit 300 made of a metal material. Alternatively, the manifold 400 may be formed of a ceramic material for insulation.

메니폴드(400)는 상부 내측면에 결합 슬릿(440)이 형성된다. 결합 슬릿(440)에 단전지 모듈의 셀 하부 슬릿(300)이 측면에서 슬라이딩식으로 결합된다. 메니폴드(400)의 결합 슬릿(440)에 평관형 단위셀(100)의 일단에 상부 캡(200)을 결합하고 타단에 셀 하부 슬릿(300)을 결합하여 형성한 단전지 모듈이 결합되면 개구된 면을 막고 실링 등을 통해 밀봉하여 연료가스 입구(450)와 반응 가스 출구(460)만 개구되게 한다. The manifold 400 has a coupling slit 440 formed on the upper inner surface. The cell lower slit 300 of the unit cell module is slidingly coupled from the side to the coupling slit 440. When the unit cell module formed by coupling the upper cap 200 to one end of the flat tubular unit cell 100 to the coupling slit 440 of the manifold 400 and the cell lower slit 300 to the other end is coupled The surface is closed and sealed through sealing or the like so that only the fuel gas inlet 450 and the reaction gas outlet 460 are opened.

단전지 모듈은 한 개를 사용하여 전기(연료전지의 경우)를 생산하거나 스팀의 고온 전기 분해에 의해 수소를 생산(전해셀의 경우)할 수도 있지만, 원하는 전기 출력 또는 스팀의 전기분해에 의한 수소 생산 출력을 얻기 위하여 평관형 단위셀(100) 다수 개를 적층하여 스택(연료전지 또는 전해조) 모듈로 운전할 수 있다. 예를 들어, 단전지 모듈 20개를 적층하여 스택(연료전지 또는 전해조) 모듈을 구성할 수 있다.One cell module can be used to produce electricity (in the case of fuel cells) or to produce hydrogen by high-temperature electrolysis of steam (in the case of an electrolysis cell), but the desired electricity output or hydrogen by electrolysis of steam In order to obtain production output, a plurality of flat tubular unit cells 100 may be stacked and operated as a stack (fuel cell or electrolytic cell) module. For example, 20 unit cell modules may be stacked to form a stack (fuel cell or electrolytic cell) module.

단전지 모듈을 다수개 적층하여 스택 모듈을 형성한 상태를 도 4의 A 방향에서 보면 도 5에 도시된 바와 같다.A state in which a stack module is formed by stacking a plurality of unit cell modules is as shown in FIG. 5 when viewed from the direction A of FIG. 4.

도 5에 도시된 바와 같이, 스택 모듈은 각 평관형 단위셀(100)의 일단에 상부 캡(200)을 결합하고 타단에 셀 하부 슬릿(300)을 결합하고 부착하여 평관형 단전지 모듈을 형성하고, 이 평관형 단전지 모듈을 다수 개 연결하여 형성할 수 있다. 실시예에서는 평관형 단전지 모듈을 4개 연결한 것을 예로 들어 도시하였다. As shown in Fig. 5, the stack module forms a flat tubular unit cell module by combining the upper cap 200 to one end of each flat tubular unit cell 100 and attaching and attaching the cell lower slit 300 to the other end. And, it can be formed by connecting a plurality of these flat tubular unit cell modules. In the embodiment, four flat tubular unit cell modules are connected as an example.

스택 모듈에서 평관형 단전지 모듈들은 셀간 연결재를 매개로 연결한다. 셀간 연결재는 평관형 단위셀(100)의 연료극의 바깥부분에서 연료가스의 밀봉과 함께 외부로 전기를 인출(또는 인가)하는 역할을 하는 세라믹 연결재(130)와 비슷한 역할을 하지만 차이점은 연료(반응)가스의 기밀성을 가질 필요는 없고 단지 세라믹 연결재(130)의 표면에 위치하여 이를 외부로 연결하면서 이웃하는 다른 평관형 단위셀의 공기극을 연결하여 전기적 접촉을 제공해주는 역할을 한다. In the stack module, the flat tubular unit cell modules are connected via a connecting material between cells. The cell-to-cell connector plays a similar role to the ceramic connector 130, which serves to draw (or apply) electricity to the outside along with sealing fuel gas from the outer part of the anode of the flat tubular unit cell 100, but the difference is fuel (reaction ) It is not necessary to have airtightness of the gas, and it is located on the surface of the ceramic connector 130 and connects it to the outside, and serves to provide electrical contact by connecting the air electrodes of other neighboring flat tubular unit cells.

셀간 연결재는 평관형 단위셀(100) 간 공간을 채우면서 전기적 접촉 역할과 공기극(140)에 공기 유입이 가능하도록 집전층(150), 다공성의 집전체(160), 집전 메쉬 중 선택된 1종 또는 이들의 조합으로 형성할 수 있다. The cell-to-cell connector is one selected from among the current collecting layer 150, the porous current collector 160, and the current collecting mesh so as to fill the space between the flat tubular unit cells 100 and provide electrical contact and air inflow to the cathode 140 It can be formed by a combination of these.

평관형 단위셀(100)들을 잘 연결하기 위해서는 평관형 단위셀(100) 간 공간을 채우면서 전기전도가 충분히 일어날 수 있는 셀간 연결재가 필요하다. 셀간 연결재는 평관형 단위셀 간 공간을 채우면서 가스 흐름이 가능한 주름판 형상 또는 다공성 소재에 은(Silver) 또는 전도성 세라믹 페이스트(LSM, LSF, LSC 등)를 코팅하여 형성한 다공성의 집전체 또는 집전 메쉬일 수 있다. In order to connect the flat tubular unit cells 100 well, a cell-to-cell connector is required that can sufficiently conduct electric conduction while filling the space between the flat tubular unit cells 100. The cell-to-cell connector is a porous current collector or current collector formed by coating silver or conductive ceramic paste (LSM, LSF, LSC, etc.) on a corrugated plate shape or a porous material that allows gas flow while filling the space between flat tubular unit cells. It can be a mesh.

예를 들어, 일정공간이상에서는 가스 흐름 및 채널과 같은 형상으로 주름판 형상을 만들고 이를 평관형 단위셀(100) 간에 채워 공기의 흐름이 용이하도록 하며, 주름판 형상에 은(Silver) 또는 LSM, LSF, LSC 등과 같은 전도성 세라믹 페이스트를 코팅하여 내산화성과 고전도성을 갖도록 한다. 특히, 평관형 단위셀(100) 간 공간이 비교적 큰 경우에는 스폰지나 우레탄 등에 전도성 페이스트를 코팅하여 연결함으로써 700℃ 정도의 열처리 유기성분을 태워 다공성의 셀간 연결재가 제조되게 하여 공기의 흐름과 공급을 원활하게 하고, 평관형 단위셀(100) 간에 생성(또는 인가)되는 전류가 양단의 음극단자과 양극단자로 잘 전도될 수 있도록 한다. For example, above a certain space, a corrugated plate shape is made in a shape such as gas flow and a channel, and it is filled between the flat tubular unit cells 100 to facilitate air flow, and silver or LSM in the corrugated plate shape, Conductive ceramic pastes such as LSF and LSC are coated to have oxidation resistance and high conductivity. In particular, when the space between the flat tubular unit cells 100 is relatively large, a conductive paste is coated on a sponge or urethane and connected to burn the heat-treated organic component of about 700°C to produce a porous intercell connector, thereby preventing the flow and supply of air. It is smooth, and the current generated (or applied) between the flat tubular unit cells 100 can be well conducted to the negative terminal and the positive terminal at both ends.

셀간 연결재는 다공성 또는 메쉬 구조로 되므로, 셀간 연결재측으로 블로워 등을 이용하여 공기를 불어 넣어주면 외부로 노출된 공기극(140)에 공기가 유입(또는 배출)될 수 있다. 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀에서 공기극(140)에 유입(또는 배출)되는 공기의 양은 연료가스(또는 스팀)에 비하여 상대적으로 중요하지 않다. 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀은 연료가스 입구(450)를 통해 주입되는 연료가스(또는 스팀과 수소)의 양이 성능과 효율에 중요한 영향을 미치므로 공기극(140)에 공급되는 공기는 외부 공기를 이용한다.Since the inter-cell connector has a porous or mesh structure, air may be introduced (or discharged) into the air electrode 140 exposed to the outside by blowing air toward the inter-cell connector side using a blower or the like. The amount of air introduced (or discharged) from the solid oxide fuel cell and the solid oxide electrolytic cell into the cathode 140 is relatively insignificant compared to the fuel gas (or steam). In the solid oxide fuel cell and the solid oxide electrolysis cell, the amount of fuel gas (or steam and hydrogen) injected through the fuel gas inlet 450 has an important effect on performance and efficiency, so the air supplied to the cathode 140 is external Use air.

스택 모듈의 양면에 셀간 연결재를 매개로 음극판과 양극판을 더 연결하고, 일측 음극판에는 음극단자(-전극부)를 연결하고 반대되는 타측 양극판에는 양극단자(+전극부)를 연결하여 최종 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀을 제작할 수 있다. The anode plate and the positive plate are further connected to both sides of the stack module through the intercell connector, and the negative terminal (-electrode part) is connected to one negative plate, and the positive terminal (+ electrode part) is connected to the opposite positive plate. It is possible to manufacture batteries and solid oxide electrolytic cells.

도 5에 도시된 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀에서 음극단자과 양극단자을 연결하고, 연료극에 수소(수소외 개질가스, 메탄가스 등의 연료가스)를 공급하고 공기극(140)에 공기를 공급하면 전지반응이 수행된다. In the solid oxide fuel cell and solid oxide electrolysis cell shown in FIG. 5, when the cathode terminal and the anode terminal are connected, hydrogen (fuel gas such as reformed gas other than hydrogen and methane gas) is supplied to the anode, and air is supplied to the cathode 140 The cell reaction is carried out.

공기극(140)에서 산소의 환원반응이 일어나 산소이온이 생성되고 전해질막을 통해 연료극인 평관형 지지체(110)로 이동하며, 평관형 지지체에서는 관형 통공을 흐르는 수소와 산소의 환원반응이 일어나 물로 산화되면서 전자가 발생하여 전기를 생산하게 된다. 각 평관형 단위셀(100)에서 발생한 전자는 셀간 연결재를 통해 음극단자으로 이동하고 양극으로 흐르면서 전기가 생산된다. 즉, 산소이온이 연료극인 평관형 지지체(110)에서 수소가스와 전기화학적으로 결합하여 전기를 발생시킨다. 반면, 전해셀에서는 반대의 방향으로 반응이 진행되는데 인가된 전기에 의해 먼저 연료극측에서 스팀이 분해되어 수소가 생성되고 분리된 나머지 산소는 이온화되어 전해질을 통과하고 이후 공기극에서 산소가스로 바뀌어 외부로 배출된다.A reduction reaction of oxygen occurs in the cathode 140 to generate oxygen ions and moves to the flat tubular support 110, which is the anode, through the electrolyte membrane, and in the flat tubular support, a reduction reaction of hydrogen and oxygen flowing through the tubular through holes occurs and is oxidized to water. Electrons are generated to produce electricity. Electrons generated in each flat tubular unit cell 100 move to the negative terminal through the cell-to-cell connector and flow to the positive electrode to generate electricity. That is, oxygen ions are electrochemically combined with hydrogen gas in the flat tubular support 110, which is an anode, to generate electricity. On the other hand, in the electrolytic cell, the reaction proceeds in the opposite direction. The steam is first decomposed at the anode side by the applied electricity to generate hydrogen, and the remaining oxygen is ionized and passed through the electrolyte, and then converted to oxygen gas at the cathode to the outside. Is discharged.

따라서 연료전지의 경우, 연료가스는 도 4의 평관형 단위셀(100)에서 왼쪽 3개의 관형 통공을 따라 상부까지 흐르고 다시 오른쪽 3개의 관형 통공을 따라 상부에서 하부로 흐르면서 전지반응으로 전기를 생산하게 된다. 이러한 전지반응은 평관형 단전지 모듈이 20단으로 적층된 경우 20단 각 평관형 단전지 모듈에서 동시에 다발적으로 일어나면서 같은 조건으로 발전을 하게 되므로 발전 효율이 높다. 마지막으로 메니폴드(400)의 제2 공간에 모아진 가스(연료+스팀+이산화탄소(개질가스의 경우) 등)는 반응 가스 출구(460)를 통해 배출된다. 마찬가지로 전해셀의 경우는 반대방향으로 반응이 진행되면서 스팀이 분해되어 연료극측에는 수소가 공기극측에는 산소가 제조되어 각각 배출된다. Therefore, in the case of a fuel cell, the fuel gas flows from the flat tubular unit cell 100 of FIG. 4 to the top along the left three tubular through holes, and flows from the top to the lower along the right three tubular through holes to generate electricity through a cell reaction. do. Such a battery reaction occurs simultaneously in each of the 20-stage flat-tubular single-cell modules and generates power under the same conditions when the flat-tubular single-cell modules are stacked in 20-stage, so the power generation efficiency is high. Finally, the gas collected in the second space of the manifold 400 (fuel + steam + carbon dioxide (for reformed gas), etc.) is discharged through the reaction gas outlet 460. Similarly, in the case of the electrolytic cell, steam is decomposed as the reaction proceeds in the opposite direction, and hydrogen is produced on the anode side and oxygen is produced on the cathode side and discharged.

[다른 실시예][Other Examples]

다른 실시예는 평판형 단위셀을 이용하여 단전지 모듈 또는 스택 모듈을 구성할 수 있다. In another embodiment, a single cell module or a stack module may be configured using a flat unit cell.

평판형 단위셀(600)은 도 6에 도시된 중간판(610)을 이용하여 제작할 수 있다. The flat unit cell 600 may be manufactured using the intermediate plate 610 shown in FIG. 6.

중간판(610)은 길이방향으로 일단은 차폐되고 반대되는 타단은 다수 개의 관형 통공(611a,611b)이 형성되며 중간 부분은 두께 방향으로 관통되며, 중간 부분에 다수 개의 관형 통공(611a,611b)을 반으로 나누어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성하는 유로부(611a',611b')를 형성하는 분리바(613)가 구비되는 형상이다. The intermediate plate 610 is shielded at one end in the longitudinal direction and a plurality of tubular through holes 611a and 611b are formed at the opposite end, and the intermediate part is penetrated in the thickness direction, and a plurality of tubular through holes 611a and 611b in the middle part It has a shape in which a separating bar 613 is provided to form the flow path portions 611a' and 611b' that divide the fuel gas in half and form a U-shaped flow of fuel gas.

분리바(613)는 중간판(610)의 양측을 연결하는 얇은 지지판(612)에 의해 그 위치가 고정될 수 있다. 분리바(613)와 중간판(610)의 두께는 동일하고 중간판(610)에서 분리바(613)에 의해 U자형 유로부(611a',611b')가 형성된다. 분리바(613)는 중간판(610)에서 하부는 연결되고 상부는 연결되지 않아 U자형 유로부(611a',611b')를 형성할 수 있다. The position of the separation bar 613 may be fixed by a thin support plate 612 connecting both sides of the intermediate plate 610. The separation bar 613 and the intermediate plate 610 have the same thickness, and the U-shaped flow path portions 611a' and 611b' are formed by the separation bar 613 in the intermediate plate 610. The separating bar 613 may form U-shaped flow path portions 611a ′ and 611b ′ in the intermediate plate 610 because the lower part is connected and the upper part is not connected.

중간판(610)은 다수 개의 관형 통공(611a,611b)을 반으로 나누는 위치에 끼움홈(617)이 형성된다. 다른 실시예에서 도시하지는 않았지만 끼움홈(617)에는 도 4에 도시된 메니폴드(400)의 격판(410)이 결합된다.The intermediate plate 610 has a fitting groove 617 formed at a position that divides the plurality of tubular through holes 611a and 611b in half. Although not shown in another embodiment, the diaphragm 410 of the manifold 400 shown in FIG. 4 is coupled to the fitting groove 617.

끼움홈(617)이 형성된 위치와 관형 통공(611a,611b)의 형상은 도 7a에서 확인할 수 있다. The location where the fitting groove 617 is formed and the shape of the tubular through-holes 611a and 611b can be confirmed in FIG. 7A.

중간판(610)은 금속재 또는 세라믹으로 이루어진다. 중간판(610)은 전기적 접촉을 제공하는 기능과 연료극과 공기극에 공급되는 연료가스와 공기를 단위셀 표면에 고르게 분산시키고 연료극과 공기극의 각 기체들이 서로 섞이지 않도록 해주며, 공급된 연료가스와 공기가 외부로 유출되는 것을 막는 밀봉 역할을 한다. The intermediate plate 610 is made of a metal material or ceramic. The intermediate plate 610 has a function of providing electrical contact and evenly distributes the fuel gas and air supplied to the anode and the cathode on the surface of the unit cell, and prevents the gases of the anode and the cathode from being mixed with each other, and the supplied fuel gas and air It acts as a seal to prevent leakage of the material to the outside.

중간판(610)은 금속재로 제작하면 대면적 제조 및 기계적 가공이 용이하고, 세라믹으로 제작하면 고전도도를 가져 장기간 운전되는 고체산화물 연료전지에 우수한 특성을 갖는다. When the intermediate plate 610 is made of a metal material, it is easy to manufacture a large area and mechanically process it, and when it is made of ceramic, it has a high conductivity and has excellent properties for a solid oxide fuel cell that is operated for a long time.

부도체인 세라믹으로 제조할 경우 니켈(Ni) 재질의 펠트(felt)와 같은 다공성 전도체를 중간판의 사이 공간에 삽입하여 연료가스 및 반응가스의 차압(흐름저항)이 크지 않으면서도 중간판의 아래와 위쪽에 부착되는 전해질 평판(제1 평판형 지지체)과 세라믹 연결재판(제2 평판형 지지체)을 서로 전기적으로 연결하게 제작할 수도 있다. In the case of non-conductor ceramic, a porous conductor such as felt made of nickel (Ni) is inserted into the space between the intermediate plates, so that the differential pressure (flow resistance) of the fuel gas and reaction gas is not large, but the lower and upper portions of the intermediate plate are not required. The electrolyte plate (first plate type support) and the ceramic connecting plate (second plate type support) attached to each other may be electrically connected to each other.

도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 평판형 단위셀(600)은 중간판(610)의 일면에 유로부(611a',611b')를 덮도록 부착되며 연료극이 되는 제1 평판형 지지체(620)와, 제1 평판형 지지체(620)에 코팅되는 전해질막(630)과 전해질막(630)에 코팅되는 공기극(640)과 중간판(610)의 반대되는 타면에 유로부(611a',611b')를 덮도록 부착되는 제2 평판형 지지체(650)와 제2 평판형 지지체(650)에 코팅되는 세라믹 연결재(660)를 포함하는 구조로 된다. 7A and 7B, the flat unit cell 600 is attached to one surface of the intermediate plate 610 so as to cover the flow path portions 611a' and 611b', and is a first flat plate type support ( 620, the electrolyte membrane 630 coated on the first flat support 620 and the air electrode 640 coated on the electrolyte membrane 630 and the flow path portion 611a' on the other surface opposite to the intermediate plate 610, 611b'), and a ceramic connector 660 coated on the second flat support 650 and the second flat support 650 attached thereto.

제1 및 제2 평판형 지지체(620,650)는 Ni0-YSZ 조성 또는 LST 조성, 전해질막(630)은 YSZ 조성, 세라믹 연결재(660)는 LST와 LSF 조성, 공기극(640)은 GDC, LSCF-GDC, LSC 조성으로 이루어질 수 있다. The first and second planar supports 620 and 650 are composed of Ni0-YSZ or LST, the electrolyte membrane 630 is composed of YSZ, the ceramic connector 660 is composed of LST and LSF, and the cathode 640 is composed of GDC, LSCF-GDC. , LSC composition.

중간판(610)을 이용하여 평판형 단위셀(600)을 제조하면 중간판(610)이 연료가스와 공기가 직접 접촉하는 것을 방지하는 밀봉 기능을 수행하므로 가스 누설이 방지된다.When the flat plate unit cell 600 is manufactured using the intermediate plate 610, the intermediate plate 610 performs a sealing function to prevent direct contact between fuel gas and air, thereby preventing gas leakage.

평판형 단위셀(600)은 중간판(610)의 일면에 전해질막(630)과 공기극(640)이 코팅된 제1 평판형 지지체(620)를 부착하고, 제1 평판형 지지체(620)가 부착된 반대면에 해당하는 중간판(610)의 타면에 세라믹 연결재(660)가 코팅된 제2 평관형 지지체(650)를 부착하여 형성한다. 평판형 단위셀(600)은 공기극/전해질막/제1 평판형 지지체/중간판/제2 평판형 지지체/세라믹 연결재로 구성된다. The plate-type unit cell 600 attaches a first plate-type support 620 coated with an electrolyte membrane 630 and an air electrode 640 on one surface of the intermediate plate 610, and the first plate-type support 620 It is formed by attaching a second flat tubular support 650 coated with a ceramic connector 660 on the other surface of the intermediate plate 610 corresponding to the attached opposite surface. The flat unit cell 600 is composed of a cathode/electrolyte membrane/first flat support/intermediate plate/second flat support/ceramic connector.

중간판(610)은 중간 부분이 개구되어 있어 전해질막(630), 공기극(640), 세라믹 연결재(660)를 바로 코팅할 수 없고 연료극이 없기 때문에 연료극 역할을 하면서 전해질막(630)과 세라믹 연결재(660)의 지지체 역할을 할 수 있는 제1 평판형 지지체(620)와 제2 평판형 지지체(650)를 적용하여 평판형 단위셀(600)을 제작한다.Since the intermediate plate 610 has an open middle part, the electrolyte membrane 630, the cathode 640, and the ceramic connector 660 cannot be directly coated, and since there is no anode, the electrolyte membrane 630 and the ceramic connector are A flat unit cell 600 is manufactured by applying the first flat support 620 and the second flat support 650 that can serve as a support for 660.

평판형 단위셀(600)은 다음과 같은 공정으로 제작할 수 있다. The flat unit cell 600 can be manufactured by the following process.

도 7a에 도시된 바와 같이, 다공성(porous)으로서 연료극 겸 지지체인 NiO-YSZ 조성 또는 LST 조성의 제1 및 제2 평판형 지지체(620,650)를 제작한다. NiO-YSZ 조성(또는 LST 조성)의 제1 및 제2 평판형 지지체(620,650)를 제작하기 위해서 NiO와 YSZ(또는 LST 조성)를 알콜(용제) 및 바인더 그리고 기공형성제를 포함하여 혼합하고 건조한 후 제1 및 제2 평판형 지지체 형상으로 프레스 압축 성형 또는 압출 성형한다. 이를 건조한 후 1000℃이상의 온도에서 예비 열처리(예비 소결)하여 제1 및 제2 평판형 지지체(620,650)를 제작한다. 소결 후 제1 및 제2 평판형 지지체(620,650)의 최종크기는 길이가 175mm, 폭은 55mm 내외 두께는 5mm 내외가 되도록 제작할 수 있다. 즉, 동일한 조성 및 형상의 평판형 지지체(620,650)를 2개 제작하며, 구분을 위해 제1 평판형 지지체(620)와 제2 평판형 지지체(650)로 기재한다. As shown in FIG. 7A, the first and second plate-shaped supports 620 and 650 having a NiO-YSZ composition or an LST composition, which are both an anode and a support as porous, are fabricated. Mixing and drying NiO and YSZ (or LST composition) including alcohol (solvent), a binder, and a pore-forming agent in order to manufacture the first and second flat support (620,650) of NiO-YSZ composition (or LST composition) After that, press compression molding or extrusion molding into the shape of the first and second flat support bodies. After drying this, the first and second plate-shaped supports 620 and 650 are manufactured by preliminary heat treatment (pre-sintering) at a temperature of 1000°C or higher. After sintering, the final sizes of the first and second plate-shaped supports 620 and 650 may be 175 mm long, 55 mm wide, and 5 mm thick. That is, two plate-shaped supports 620 and 650 having the same composition and shape are manufactured, and are described as a first plate-shaped support 620 and a second plate-shaped support 650 for classification.

제1 평판형 지지체(620)의 일면과 양측면에 전해질막(630)을 코팅하고, 제2 평판형 지지체(650)의 일면과 양측면에 세라믹 연결재(660)를 코팅하고 각각 소결하여 따로 준비한다. The electrolyte membrane 630 is coated on one side and both sides of the first flat support 620, and a ceramic connector 660 is coated on one and both sides of the second flat support 650 and sintered to prepare separately.

전해질막(630)이 코팅된 제1 평판형 지지체(620)를 유로부(611a'611b')를 덮도록 중간판(610)의 일면(도면상 상면)에 부착하고, 세라믹 연결재(660)를 코팅한 제2 평판형 지지체(650)를 유로부(611a'611b')를 덮도록 중간판(610)의 타면(도면상 하면)에 부착한다. Attaching the first plate-shaped support 620 coated with the electrolyte membrane 630 to one surface (the upper surface of the drawing) of the intermediate plate 610 to cover the flow path portion 611a'611b', and attaching the ceramic connector 660 The coated second flat support 650 is attached to the other surface (lower surface of the drawing) of the intermediate plate 610 to cover the flow path portions 611a'611b'.

다음으로 전해질막(630)에 제1 공기극, 제2 공기극 및 제3 공기극을 각각 프린팅하고 열처리하여 공기극(640)이 형성된 최종 평판형 단위셀(600)을 제작한다. 제1 공기극, 제2 공기극 및 제3 공기극은 전해질막(630)이 코팅된 제1 평판형 지지체(620)를 중간판(610)에 부착하기 전, 전해질막(630)에 프린팅에 의해 코팅될 수 있다. Next, the first cathode, the second cathode, and the third cathode are respectively printed on the electrolyte membrane 630 and heat-treated to produce a final flat plate-shaped unit cell 600 in which the cathode 640 is formed. The first cathode, the second cathode, and the third cathode are coated on the electrolyte membrane 630 by printing before attaching the first plate-shaped support 620 coated with the electrolyte membrane 630 to the intermediate plate 610. I can.

평판형 단위셀(600)의 제작 공정에서 전해질막(630), 세라믹 연결재(660), 공기극(640)은 일 실시예와 동일한 조건으로 제1 또는 제2 평판형 지지체(620,650)에 코팅되므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.In the manufacturing process of the flat unit cell 600, the electrolyte membrane 630, the ceramic connector 660, and the cathode 640 are coated on the first or second flat support 620 and 650 under the same conditions as in the embodiment. Description will be omitted.

평판형 단위셀(600)은 길이방향으로 일단은 차폐되고 반대되는 타단은 다수 개의 관형 통공(611a,611b)이 형성되며 중간 부분은 다수 개의 관형 통공(611a,611b)과 연통됨과 동시에 다수 개의 관형 통공(611a,611b)을 반으로 나누어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성하는 유로부(611a',611b')가 형성된다. 평판형 단위셀(600)은 타단에서 다수 개의 관형 통공(611a,611b)을 반으로 나누는 위치에 끼움홈(617)이 형성된다. 끼움홈(617)에는 도 4에 도시된 메니폴드(400)의 격판(410)이 끼워져 다수 개의 관형 통공(611a,611b)을 반으로 나누어 연료가스가 유입되는 입구와 반응가스가 배출되는 출구를 형성한다. The flat unit cell 600 is shielded at one end in the longitudinal direction, and a plurality of tubular through holes 611a and 611b are formed at the opposite end, and the middle part communicates with a plurality of tubular through holes 611a and 611b and at the same time a plurality of tubular The flow path portions 611a' and 611b' are formed by dividing the through holes 611a and 611b in half to form a U-shaped flow of the fuel gas. The flat unit cell 600 has a fitting groove 617 formed at the other end at a position that divides the plurality of tubular through holes 611a and 611b in half. In the fitting groove 617, the diaphragm 410 of the manifold 400 shown in FIG. 4 is fitted to divide a plurality of tubular through holes 611a and 611b in half to form an inlet through which fuel gas is introduced and an outlet through which reaction gas is discharged. do.

일 실시예와 마찬가지로 평판형 단위셀(600)은 메니폴드(400)가 결합되어 최종적으로 연료가스의 U자 흐름을 형성한다.As in the exemplary embodiment, the manifold 400 is coupled to the flat unit cell 600 to form a U-shaped flow of fuel gas.

평판형 단위셀(600)에 메니폴드(400)가 결합된 도면은 도시하지 않았지만 도 4를 참조하여 설명하면, 메니폴드(400)는 평판형 단위셀(600)과 결합되고, 다수 개의 관형 통공(611a,611b)과 연통되는 공간(420,430)이 형성되고 연료가스가 주입되는 연료가스 입구(450)와 반응가스가 배출되는 가스 출구(460)가 구비되며, 공간(420,430) 및 평판형 단위셀(600)의 다수 개의 관형 통공(611a,611b)을 반으로 나누어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성한다. Although the drawing in which the manifold 400 is coupled to the flat unit cell 600 is not shown, when described with reference to FIG. 4, the manifold 400 is coupled to the flat unit cell 600, and a plurality of tubular through holes 611a The spaces 420 and 430 communicating with the ,611b) are formed, and a fuel gas inlet 450 into which fuel gas is injected and a gas outlet 460 through which reaction gas is discharged are provided, and spaces 420 and 430 and a flat unit cell 600 are provided. ) To form a U-shaped flow of fuel gas by dividing the plurality of tubular through-holes 611a and 611b in half.

평판형 단위셀(600)은 상부 캡, 셀 하부 슬릿이 결합되지 않고 평판형 단위셀(600)의 타단의 양측 돌출부가 메니폴드(400)의 결합 슬릿(440)에 직접 끼움 결합식으로 고정되는 점에서 일 실시예와 차이가 있다. In the flat unit cell 600, the upper cap and the lower slit of the cell are not coupled, and the protrusions on both sides of the other end of the flat unit cell 600 are directly fitted to the coupling slit 440 of the manifold 400 and fixed in a coupling manner. There is a difference from one embodiment.

평판형 단위셀(600)은 그 자체가 하나의 평판형 단전지 모듈을 형성한다. The flat unit cell 600 itself forms one flat unit cell module.

평판형 단위셀(600)은 다수 개를 적층식으로 결합하여 스택 모듈을 형성할 수 있다. 스택 모듈은 각 평판형 단위셀(600)들의 타단 양측 돌출부가 메니폴드(400)의 결합 슬릿(440)에 끼움 결합식으로 고정된다. 평판형 단위셀(600)들의 끼움 결합을 위해 개방한 부분은 음극판과 양극판재를 결합하여 막은 다음, 레이저 용접이나 밀봉재 및 브레이징 등을 이용하여 완전 밀봉한다. 평판형 단위셀(600)은 다수 개를 적층시 양단 고정공(615)에 고정핀을 결합하여 적층된 상태를 고정할 수 있다. 또한 단위셀과 메니폴드의 결합시 중간판과 지지판과의 두께 차이로 생긴 틈은 동일한 재질로 같은 모양으로 빈 틈만큼을 채워서 전체적으로 메니폴드에 꽉찬구조로 결합하여 밀봉이 용이한 구조로 한다.A plurality of flat unit cells 600 may be stacked to form a stack module. In the stack module, protrusions on both sides of the other end of each of the flat unit cells 600 are fitted into the coupling slit 440 of the manifold 400 in a fitting manner. The portion opened for fitting of the flat unit cells 600 is sealed by combining the negative electrode plate and the positive electrode plate, and then completely sealed using laser welding, sealing material, and brazing. When a plurality of flat unit cells 600 are stacked, the stacked state may be fixed by coupling fixing pins to the fixing holes 615 at both ends. In addition, when the unit cell and the manifold are combined, the gap created by the difference in thickness between the intermediate plate and the support plate is filled with the same shape with the same material, and the entire manifold is tightly connected to the manifold to facilitate sealing.

평판형 단위셀(600)을 다수 개를 적층식으로 결합하여 형성한 스택 모듈의 양면에 도 5와 같이, 셀간 연결재를 매개로 음극판과 양극판(510,520)을 더 결합하고, 일측 음극판(510)에는 음극단자(-전극부)(530)를 구비하고 반대되는 타측 양극판(520)에는 양극단자(+전극부)(540)를 구비하여 고체산화물 연료전지를 제작할 수 있다.As shown in FIG. 5 on both sides of a stack module formed by combining a plurality of flat unit cells 600 in a stacked manner, a negative electrode plate and a positive electrode plate 510 and 520 are further coupled through an inter-cell connection material, and one negative plate 510 has A solid oxide fuel cell may be manufactured by having a negative electrode terminal (-electrode part) 530 and a positive electrode terminal (+ electrode part) 540 on the opposite positive electrode plate 520.

평판형 단위셀(600)은 중간판(610)을 금속재(예: STS)로 형성하는 경우 정상운전을 위한 환원반응에서 평판형 단위셀(600)의 신축이 발생하지 않으므로 보다 안정적인 운전이 가능하다. When the intermediate plate 610 is formed of a metal material (for example, STS), the flat unit cell 600 does not cause expansion and contraction of the flat unit cell 600 in the reduction reaction for normal operation, so a more stable operation is possible. .

도 6의 A 방향에서 평판형 단위셀(600)을 보면 도 7b에 도시된 바와 같이, 중간판(610)의 타단은 일단에 비해 양측으로 더 돌출되고, 돌출된 부분에는 관형 통공이 형성되지 않는다. 다른 실시예에서 관형 통공(111a,111b)은 중간판(610)의 타측에서 중간 부분의 유로부(611a',611b')까지 연통되게 형성된다. 중간판(610)의 타단에서 양측으로 더 돌출된 부분은 메니폴드(400)의 결합 슬릿(440)에 끼움식으로 결합될 수 있다.Looking at the flat unit cell 600 in the direction A of FIG. 6, as shown in FIG. 7B, the other end of the intermediate plate 610 protrudes more toward both sides than one end, and a tubular through hole is not formed in the protruding part. . In another embodiment, the tubular through-holes 111a and 111b are formed to communicate from the other side of the intermediate plate 610 to the flow path portions 611a ′ and 611b ′ of the intermediate portion. Portions protruding further from the other end of the intermediate plate 610 to both sides may be coupled to the coupling slit 440 of the manifold 400 by fitting.

도 6의 B-B 방향으로 자른 평판형 단위셀(600)을 보면 도 7c에 도시된 바와 같이, 중간 부분에 두 개의 유로부(611a',611b')로 나누어진다. Looking at the flat unit cell 600 cut in the direction B-B of FIG. 6, as shown in FIG. 7C, it is divided into two flow path portions 611a' and 611b' in the middle portion.

도 6의 C-C 방향으로 자른 평판형 단위셀(600)을 보면 도 7d에 도시된 바와 같이, 상부가 막혀 있다. 그리고 도 6에서 두 개의 유로부(611a', 611b')는 상부에서 서로 연통됨이 보여진다.Looking at the flat-panel unit cell 600 cut in the C-C direction of FIG. 6, as shown in FIG. 7D, the upper part is blocked. In addition, in FIG. 6, it is shown that the two flow path portions 611a' and 611b' communicate with each other at the top.

따라서, 평판형 단위셀(600)의 왼쪽 3개의 관형 통공(611a)으로 유입된 연료가스가 중간 부분의 왼쪽 유로부(611a')를 통해 상부로 흐른 후 상부에서 오른쪽 유로부(611b')를 통해 하부로 흐른 후 오른쪽 3개의 관형 통공(611b)을 통해 배출되는 U자 흐름을 형성함을 확인할 수 있다. Therefore, the fuel gas introduced into the left three tubular through-holes 611a of the flat unit cell 600 flows upward through the left flow passage 611a' in the middle part, and then flows upward through the right flow passage 611b'. It can be seen that a U-shaped flow discharged through the three tubular through-holes 611b on the right after flowing to the bottom through is formed.

연료가스는 수소를 예로 들어 설명하였으나, 메탄 등 공기와 접촉하여 연소반응이 일어나는 다양한 종류가 적용 가능하다. The fuel gas has been described using hydrogen as an example, but various types of combustion reactions occurring in contact with air such as methane are applicable.

다른 실시예에서 일 실시예와 동일한 구성에 대해서는 중복 설명을 생략하였으므로 다른 실시예에 일 실시예를 혼용 가능하다. In other embodiments, the same configurations as those of the one embodiment have been omitted from the redundant description, so that one embodiment can be mixed with other embodiments.

상술한 일 실시예는 평관형 단전지 모듈 및 평관형 스택 모듈에서 연료가스 흐름이 U자 형상을 갖도록 한쪽 방향 메니폴드를 적용하여, 밀봉율을 높이고, 평관형 단위셀의 수축율과 열팽창율 차이에 따른 응력 발생을 방지하고, 열교환능력을 높여 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀의 단위셀에서 가스분배를 효과적으로 향상시킬 수 있다. In the above-described embodiment, by applying a manifold in one direction so that the fuel gas flow has a U-shape in the flat tubular unit cell module and the flat tubular stack module, the sealing rate is increased, and the difference between the shrinkage rate and the thermal expansion rate of the flat tubular unit cell It is possible to effectively improve gas distribution in the unit cells of the solid oxide fuel cell and the solid oxide electrolytic cell by preventing the occurrence of stress and increasing the heat exchange capability.

또한 다른 실시예는 평판형 단전지, 평판형 스택 모듈에서 연료가스 흐름이 U자 형상으로 갖도록 중간판 및 한쪽 방향 메니폴드를 적용하여, 밀봉율을 높이고 일 실시예와 같이 상부 캡 및 셀 하부 슬릿을 사용하지 않고 평판형 단위셀을 메니폴드에 직접 결합할 수 있어 제작의 용이성을 갖고 금속재인 중간판의 경우 연료전지 의 정상 운전시에도 수축하지 않는 장점이 있다. In addition, in another embodiment, the middle plate and the manifold in one direction are applied so that the flow of fuel gas in a U-shape is applied in the flat-type unit cell and the flat-type stack module, thereby increasing the sealing rate and forming the upper cap and the lower slit of the cell as in one embodiment. The flat panel unit cell can be directly connected to the manifold without using it, so it is easy to manufacture, and the intermediate plate made of metal has the advantage of not shrinking even during normal operation of the fuel cell.

상술한 일 실시예와 다른 실시예는 한쪽 방향 메니폴드를 적용하여도 격판에 의해 연료가스가 유입되는 입구와 반응가스가 배출되는 출구가 완전히 분리되어 연료가스와 공기가 직접 접촉하여 연소반응이 일어나면서 발생하는 공기극 및 연료극 손상이 발생하지 않는다. 또한, 밀봉력이 우수하여 연료가스와 공기가 스택의 외부로 유출되어 단위셀 및 연료전지의 성능이 저하되는 문제점을 해결할 수 있다. In the above-described embodiment and the other embodiment, even when a one-way manifold is applied, the inlet through which the fuel gas is introduced and the outlet through which the reaction gas is discharged are completely separated by the diaphragm, so that the fuel gas and air are in direct contact with each other, thereby causing a combustion reaction There is no damage to the air electrode and the fuel electrode. In addition, since the sealing power is excellent, it is possible to solve the problem that the performance of the unit cell and the fuel cell is deteriorated due to the outflow of fuel gas and air into the stack.

따라서, 평관형 단위셀과 평판형 단위셀의 반을 나누어 연료가스의 유입과 배출을 하나의 메니폴드에서 수행함으로써 밀봉 효율을 높일 수 있고, 연료가스의 유입과 배출이 하나의 메니폴드에서 이루어지므로 메니폴드와 단위셀들이 연결되는 부분만 용접 및 밀봉 처리하여 고정함으로써 스택 모듈의 안정성을 보다 높일 수 있다. Therefore, it is possible to increase sealing efficiency by dividing half of the flat tubular unit cell and the flat unit cell to perform the inflow and discharge of fuel gas in one manifold, and the inflow and discharge of fuel gas are performed in one manifold. The stability of the stacked module can be further improved by welding and sealing only the parts to which the unit cells are connected to be fixed.

이와 같이, 본 발명은 평관형 단위셀과 평판형 단위셀의 반을 나누어 연료가스의 유입과 배출이 하나의 메니폴드에서 수행되게 하므로 밀봉 효율을 높이고 연료전지의 성능 및 효율을 향상시킬 수 있다. As described above, according to the present invention, since the inflow and outflow of fuel gas is performed in one manifold by dividing half of the flat tubular unit cell and the flat unit cell, the sealing efficiency can be improved and the performance and efficiency of the fuel cell can be improved.

본 발명에서 설명의 편의를 위해 하나의 메니폴드에서 연료가스의 유입과 배출이 수행되는 것으로 설명하였지만, 실질적으로는 하나의 메니폴드에서 연료가스가 유입되고 평관형 단위셀 또는 평판형 단위셀의 U자형 유로를 흐르면서 공기와 반응한 고온의 반응가스가 배출되는 것이다. In the present invention, for convenience of explanation, it has been described that fuel gas is introduced and discharged from one manifold, but in reality, fuel gas is introduced from one manifold and a U-shaped flow path of a flat tubular unit cell or a flat unit cell The high temperature reaction gas that reacted with air is discharged while flowing.

또한, 본 발명을 전해셀로 이용할 경우, 연료가스는 스팀(수소 포함)이고 이를 전기분해하여 하나의 메니폴드에서 스팀(수소 포함)이 유입되고 평관형 단위셀 또는 평판형 단위셀의 U자형 유로를 흐르면서 분해하여 생성된 수소(스팀 포함)가 배출되는 것이다.In addition, when the present invention is used as an electrolytic cell, the fuel gas is steam (including hydrogen), and steam (including hydrogen) is introduced from one manifold by electrolyzing it, and the U-shaped flow path of the flat tube unit cell or the flat unit cell Hydrogen (including steam) generated by decomposition while flowing is discharged.

참고로, 상부 캡 및 셀 하부 슬릿이 평관형 단위셀과 결합되는 부분을 밀봉하는 밀봉재, 평관형 단위셀, 셀 하부 슬릿 및 메니폴드가 결합되는 부분을 밀봉하는 밀봉재나 용접 등은 도면에 도시하지 않았다. For reference, a sealing material that seals the portion where the upper cap and the lower slit of the cell are coupled to the flat tubular unit cell, the flat tubular unit cell, the sealant or welding that seals the portion where the lower cell slit and the manifold are coupled are not shown in the drawings. .

또한, 도면부호 510,520,530,540은 본 발명의 스택 모듈이 연료전지로 사용되는 경우 표현된 부호이고, 본 발명의 스택 모듈을 전해셀로 사용하는 경우 보호와 명칭은 반대로 적용된다. Further, reference numerals 510, 520, 530, and 540 denote symbols expressed when the stack module of the present invention is used as a fuel cell, and when the stack module of the present invention is used as an electrolytic cell, protection and name are applied in reverse.

본 발명은 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀 중 하나 또는 양쪽으로 사용될 수 있다.The present invention can be used as one or both of a solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolytic cell.

본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with the best embodiments in the drawings and specifications. Here, although specific terms have been used, they are used for the purpose of describing the present invention only, and are not used to limit the scope of the present invention as defined in the claims or the claims. Therefore, the present invention will be understood by those skilled in the art that various modifications and other equivalent embodiments are possible. Therefore, the true technical scope of the present invention should be defined by the technical spirit of the appended claims.

100: 평관형 단위셀 110: 평관형 지지체
111,111a,111b: 관형 통공 120: 전해질막
130: 세라믹 연결재 140: 공기극
150: 집전층 160: 집전체
200: 상부 캡
300: 셀 하부 슬릿 210: 공간
320: 개구부 330: 끼움홈
400: 메니폴드 410: 격판
420,430,: 제1 및 제2 공간 440: 결합 슬릿
450: 연료가스 입구 460: 반응 가스 출구
510: 음극판 520: 양극판
530: 음극단자(-전극부) 540: 양극단자(+전극부)
600: 평판형 단위셀 610: 중간판
611a,611b: 관형 통공 611a',611b':유로부
613: 분리바 612: 지지판
615: 고정공 617: 끼움홈
620: 제1 평판형 지지체 630: 전해질막
640: 공기극 650: 제2 평판형 지지체
660: 세라믹 연결재
100: flat tubular unit cell 110: flat tubular support
111,111a,111b: tubular through hole 120: electrolyte membrane
130: ceramic connector 140: air electrode
150: collector layer 160: collector
200: upper cap
300: cell lower slit 210: space
320: opening 330: fitting groove
400: manifold 410: diaphragm
420,430,: first and second space 440: coupling slit
450: fuel gas inlet 460: reactive gas outlet
510: negative plate 520: positive plate
530: negative terminal (-electrode part) 540: positive terminal (+ electrode part)
600: flat unit cell 610: middle plate
611a, 611b: tubular through hole 611a', 611b': passage
613: separation bar 612: support plate
615: fixing hole 617: fitting groove
620: first flat support 630: electrolyte membrane
640: air electrode 650: second flat support
660: ceramic connector

Claims (18)

길이방향으로 연료가스 이동을 위한 다수 개의 관형 통공이 형성된 평관형 단위셀;
상기 평관형 단위셀의 길이방향 일단에 결합되고 상기 다수 개의 관형 통공을 서로 연통시키면서 상기 평관형 단위셀의 일단을 외부와 차폐하는 상부 캡; 및
상기 단위 셀의 길이방향 타단에 결합되고 상기 다수 개의 관형 통공과 연통되는 공간이 형성되고 연료가스가 주입되는 연료가스 입구와 연료가스가 공기와 반응한 가스가 배출되는 반응 가스 출구가 구비되며, 상기 공간 및 다수 개의 관형 통공을 반으로 나누어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성하는 메니폴드;
를 포함하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
A flat tubular unit cell having a plurality of tubular through holes for moving fuel gas in the longitudinal direction;
An upper cap coupled to one end of the flat tubular unit cell in the longitudinal direction and shielding one end of the flat tubular unit cell from the outside while communicating the plurality of tubular through holes with each other; And
A space coupled to the other end in the longitudinal direction of the unit cell and communicating with the plurality of tubular through-holes is formed, and a fuel gas inlet into which fuel gas is injected and a reaction gas outlet through which gas reacted with air is discharged, the A manifold for dividing the space and a plurality of tubular through holes in half to form a U-shaped flow of fuel gas;
Solid oxide fuel cell and solid oxide electrolysis cell comprising a.
청구항 1에 있어서,
상기 메니폴드는
상기 평관형 단위셀의 일단에 상기 상부 캡을 결합하고 타단에 셀 하부 슬릿을 결합하여 형성한 단전지 모듈의 셀 하부 슬릿과 결합되어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성하거나,
상기 평관형 단위셀의 일단에 상기 상부 캡을 결합하고 타단에 셀 하부 슬릿을 결합하여 형성한 평관형 단전지 모듈을 다수 개 연결하여 형성한 스택 모듈의 셀 하부 슬릿들과 결합되어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
The method according to claim 1,
The manifold is
Combined with the cell lower slit of the unit cell module formed by combining the upper cap to one end of the flat tubular unit cell and the cell lower slit to the other end to form a flow of fuel gas in a U shape, or
The flow of fuel gas is combined with the cell lower slits of the stack module formed by connecting a plurality of flat tubular unit cell modules formed by coupling the upper cap to one end of the flat tubular unit cell and the cell lower slits to the other end Solid oxide fuel cell and solid oxide electrolytic cell, characterized in that to form a U-shaped.
청구항 1에 있어서,
상기 메니폴드는
상기 공간 및 다수 개의 관형 통공을 반으로 나누어 입구측 메니폴드 역할을 하는 제1 공간과 출구측 메니폴드 역할을 하는 제2 공간을 형성하는 격판을 포함하며,
상기 연료가스 입구는 상기 제1 공간과 연통되고, 상기 가스 출구는 제2 공간과 연통되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
The method according to claim 1,
The manifold is
Dividing the space and the plurality of tubular through-holes in half, comprising a partition plate forming a first space serving as an inlet side manifold and a second space serving as an outlet side manifold,
The fuel gas inlet communicates with the first space, and the gas outlet communicates with the second space.
청구항 3에 있어서,
상기 스택 모듈에서 평관형 단전지 모듈들은 셀간 연결재를 매개로 연결되며,
상기 스택 모듈의 양면에 셀간 연결재를 매개로 음극판과 양극판을 더 연결하고,
일측 음극판에는 음극단자(-전극부)를 구비하고 반대되는 타측 양극판에는 양극단자(+전극부)를 구비한 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
The method according to claim 3,
In the stack module, the flat tubular unit cell modules are connected via a connecting material between cells,
Further connecting the negative plate and the positive plate to both sides of the stack module through an inter-cell connecting material,
A solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolytic cell, characterized in that a negative electrode terminal (-electrode part) is provided on one negative electrode plate and a positive electrode terminal (+ electrode part) is provided on the opposite positive electrode plate.
청구항 4에 있어서,
상기 셀간 연결재는
상기 평관형 단위셀 간 공간을 채우면서 공기 유입이 가능하도록 집전층, 다공성의 집전체, 집전 메쉬 중 선택된 1종 또는 이들의 조합으로 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
The method according to claim 4,
The cell-to-cell connector
A solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolytic cell, characterized in that they are formed of one selected from among a current collector layer, a porous current collector, and a current collector mesh, or a combination thereof to allow air inflow while filling the space between the flat tubular unit cells.
청구항 1에 있어서,
상기 평관형 단위셀은
다수 개의 관형 통공이 형성되며 연료극 겸 지지체인 평관형 지지체;
상기 평관형 지지체의 일면과 양측면 및 타면 일부를 감싸도록 코팅되는 전해질막;
상기 평관형 지지체의 반대되는 타면에서 상기 평관형 지지체가 노출되는 부분에 코팅되는 세라믹 연결재; 및
상기 전해질막에 코팅되는 공기극;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
The method according to claim 1,
The flat tubular unit cell is
A flat tubular support having a plurality of tubular through-holes and serving as a fuel electrode and a support;
An electrolyte membrane coated to cover portions of one side, both sides, and the other side of the flat tubular support;
A ceramic connector coated on a portion of the flat tubular support to which the flat tubular support is exposed on the opposite surface of the flat tubular support; And
A cathode coated on the electrolyte membrane;
Solid oxide fuel cell and solid oxide electrolytic cell comprising a.
청구항 6에 있어서,
상기 평관형 지지체는 Ni0-YSZ를 포함하고,
상기 전해질막은 YSZ를 포함하고
상기 세라믹 연결재는 LST와 LSF를 포함하고,
상기 공기극은 GDC, LSCF-GDC, LSC를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
The method according to claim 6,
The flat tubular support includes Ni0-YSZ,
The electrolyte membrane includes YSZ,
The ceramic connector includes LST and LSF,
The cathode is a solid oxide fuel cell and solid oxide electrolytic cell, characterized in that it comprises a GDC, LSCF-GDC, LSC.
청구항 6에 있어서,
상기 세라믹 연결재는 상기 평관형 지지체가 노출되는 부분에 노출 부분 보다 넓은 면적으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
The method according to claim 6,
The ceramic connector is a solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolytic cell, characterized in that the flat tubular support is coated with a larger area than the exposed portion.
청구항 1에 있어서,
상기 평관형 단위셀에 상기 상부 캡과 상기 셀 하부 슬릿을 결합하고 밀봉 유리로 부착하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
The method according to claim 1,
A solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolytic cell, characterized in that the upper cap and the lower slit of the cell are coupled to the flat tubular unit cell and attached with a sealing glass.
청구항 1에 있어서,
상기 연료가스는 수소, 스팀을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
The method according to claim 1,
The fuel gas is a solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolytic cell, characterized in that containing hydrogen and steam.
길이방향으로 일단은 차폐되고 반대되는 타단은 다수 개의 관형 통공이 형성되며 중간 부분은 다수 개의 관형 통공과 연통됨과 동시에 다수 개의 관형 통공을 반으로 나누어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성하는 유로부가 형성된 평판형 단위셀; 및
상기 평판형 단위셀과 결합되고, 상기 다수 개의 관형 통공과 연통되는 공간이 형성되고 연료가스가 주입되는 연료가스 입구와 연료가스가 배출되는 반응 가스 출구가 구비되며, 상기 공간 및 다수 개의 관형 통공을 반으로 나누어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성하는 메니폴드;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
In the longitudinal direction, one end is shielded, and a plurality of tubular through holes are formed at the opposite end, and the middle part communicates with a plurality of tubular through holes, and at the same time, a flow path part that divides the plurality of tubular through holes in half to form a U-shaped flow of fuel gas is formed. Flat unit cell; And
Combined with the flat unit cell, a space communicating with the plurality of tubular through holes is formed, and a fuel gas inlet into which fuel gas is injected and a reaction gas outlet through which fuel gas is discharged are provided, and the space and the plurality of tubular through holes are provided. A manifold divided in half to form a U-shaped flow of fuel gas;
A solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolytic cell comprising a.
청구항 11에 있어서,
상기 메니폴드는
상기 공간 및 다수 개의 관형 통공을 반으로 나누어 입구측 메니폴드 역할을 하는 제1 공간과 출구측 메니폴드 역할을 하는 제2 공간을 형성하는 격판을 포함하며,
상기 연료가스 입구는 상기 제1 공간과 연통되고, 상기 가스 출구는 제2 공간과 연통되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
The method according to claim 11,
The manifold is
Dividing the space and the plurality of tubular through-holes in half, comprising a partition plate forming a first space serving as an inlet side manifold and a second space serving as an outlet side manifold,
The fuel gas inlet communicates with the first space, and the gas outlet communicates with the second space.
청구항 12에 있어서,
상기 메니폴드는
상기 평판형 단위셀의 타단과 결합되어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성하거나,
상기 평판형 단위셀을 다수 개 결합하여 형성한 스택 모듈의 타단들과 결합되어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
The method of claim 12,
The manifold is
Combined with the other end of the flat unit cell to form a U-shaped flow of fuel gas, or
A solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolytic cell, characterized in that combined with the other ends of a stack module formed by combining a plurality of flat unit cells to form a flow of fuel gas in a U shape.
청구항 13에 있어서,
상기 스택 모듈에서 평판형 단전지 모듈들은 셀간 연결재를 매개로 결합되며,
상기 스택 모듈의 양면에 셀간 연결재를 매개로 음극판과 양극판을 더 결합하고,
일측 음극판에는 음극단자(-전극부)를 구비하고 반대되는 타측 양극판에는 양극단자(+전극부)를 구비한 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
The method according to claim 13,
In the stack module, the flat cell modules are coupled through a connecting material between cells,
A negative electrode plate and a positive electrode plate are further coupled to both sides of the stack module through an inter-cell connector,
A solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolytic cell, characterized in that a negative electrode terminal (-electrode part) is provided on one negative electrode plate and a positive electrode terminal (+ electrode part) is provided on the opposite positive electrode plate.
청구항 14에 있어서,
상기 셀간 연결재는
상기 평판형 단위셀 간 공간을 채우면서 공기 유입이 가능하도록 집전층, 다공성의 집전체, 집전 메쉬 중 선택된 1종 또는 이들의 조합으로 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
The method according to claim 14,
The cell-to-cell connector
A solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolysis cell, characterized in that they are formed of one selected from among a current collector layer, a porous current collector, and a current collector mesh, or a combination thereof to allow air inflow while filling the space between the flat unit cells.
청구항 11에 있어서,
상기 평판형 단위셀은
길이방향으로 일단은 차폐되고 반대되는 타단은 다수 개의 관형 통공이 형성되며 중간 부분은 두께 방향으로 관통되며, 상기 중간 부분에 다수 개의 관형 통공을 반으로 나누어 연료가스의 흐름을 U자형으로 형성하는 유로부를 형성하는 분리바가 구비된 중간판;
상기 중간판의 일면에 상기 유로부를 덮도록 부착되며 연료극인 제1 평판형 지지체;
상기 제1 평판형 지지체에 코팅되는 전해질막;
상기 전해질막에 코팅되는 공기극;
상기 중간판의 반대되는 타면에 상기 유로부를 덮도록 부착되는 제2 평판형 지지체; 및
상기 제2 평판형 지지체에 코팅되는 세라믹 연결재;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
The method according to claim 11,
The flat unit cell is
A flow path that forms a U-shaped flow of fuel gas by dividing the plurality of tubular through holes in the middle part in half and forming a plurality of tubular through holes at one end in the longitudinal direction and at the opposite end in the thickness direction. An intermediate plate provided with a separating bar forming a part;
A first plate-shaped support attached to one surface of the intermediate plate to cover the flow path and serving as an anode;
An electrolyte membrane coated on the first flat support;
A cathode coated on the electrolyte membrane;
A second flat plate type support attached to the other surface opposite to the intermediate plate to cover the flow path; And
A ceramic connecting member coated on the second flat support;
A solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolytic cell comprising a.
청구항 16에 있어서,
상기 중간판은 금속재 또는 세라믹 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
The method according to claim 16,
The intermediate plate is a solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolytic cell, characterized in that made of a metal material or a ceramic material.
청구항 16에 있어서,
상기 제1 및 제2 평판형 지지체는 Ni0-YSZ 또는 LST를 포함하고,
상기 전해질막은 YSZ를 포함하고
상기 세라믹 연결재는 LST와 LSF를 포함하고,
상기 공기극은 GDC, LSCF-GDC, LSC를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지와 고체산화물 전해셀.
The method according to claim 16,
The first and second planar supports include Ni0-YSZ or LST,
The electrolyte membrane includes YSZ,
The ceramic connector includes LST and LSF,
The cathode is a solid oxide fuel cell and solid oxide electrolytic cell, characterized in that it comprises a GDC, LSCF-GDC, LSC.
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