KR20210079012A

KR20210079012A - 평판 형 sofc/soec 단전지 모듈 및 스택

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Publication number: KR20210079012A
Application number: KR1020190171050A
Authority: KR
Inventors: 김선동; 김태우; 변세기; 최윤석; 우상국; 서두원; 황효정; 방형준; 한인섭; 김세영; 김수현; 성영훈
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-29
Also published as: KR102288307B1

Abstract

본 발명의 일 실시예는 평판 형 SOFC/SOEC셀의 두께 변화에 유연하게 대응하고, 열팽창에 대한 내구성을 향상시켜 용이하게 대용량 스택 구조로 제작될 수 있는 평판 형 SOFC/SOEC(고체 산화물 연료전지 고온 수전해 셀) 단전지 모듈 및 스택에 관한 것으로서, 연료와 공기의 입출구들이 형성된 하부 프레임을 포함하는 하부 프레임부: 상기 하부 프레임의 상부에 적층되는 음극 집전부; SOFC/SOEC 셀 장착 관통부가 형성된 셀 프레임으로 구성되어 상기 음극 집전부의 상부에 적층되는 셀 프레임부; 상기 SOFC/SOEC 셀 장착 관통부에 장착되는 SOFC/SOEC 셀; 상기 SOFC/SOEC 셀의 상부에 적층되는 양극 집전부; 및 연료와 공기의 입출구들이 형성되어 상기 양극 집전부의 상부에서 상기 셀 프레임부에 밀봉 적층되는 상부 프레임부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SOFC/SOEC 단전지 모듈을 제공한다.

Description

평판 형 SOFC/SOEC 단전지 모듈 및 스택{Flat Shape Solid Oxide Fuel cell High TEMPERATURE ELECTROLYSIS UNIT CELL Module and Stack}

본 발명은 평판 형 고체 산화물 연료전지 고온 수전해 단전지 모듈 및 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 평판 형 SOFC/SOEC셀의 두께 변화에 유연하게 대응하고, 열팽창에 대한 내구성을 향상시켜 용이하게 대용량 스택구조로 제작될 수 있는 평판 형 SOFC/SOEC(고체 산화물 연료전지 고온 수전해 셀) 단전지 모듈 및 스택에 관한 것이다.

고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)는 구성요소가 모두 구체의 형태로 구성되어 있으며, 전기화학 반응을 통하여 수소 및 탄화수소계 연료를 직접 전기 에너지로 변환하여 매우 효율이 높으며 환경 오염물질을 거의 방출하지 않기 때문에 차세대 청정 에너지원으로 주목 받고 있다.

상기 고체 산화물 연료전지를 전기화학적 역반응을 수행하도록 하여 고온 수전해 장치(Solid Oxide Electrolyzer Cell, SOEC)에 이용할 수 있다.

SOFC:

SOEC:

상술한 고체 산화물 전해질을 이용한 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) 및 수전해 셀(SOEC; Solid Oxide Electrolysis Cell)은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ: Yttria-stabilized zirconia, 이하 YSZ) 등의 이온 전도성 전해질 양쪽에 음극(또는 연료극)과 양극(또는 공기극)이 부착되어 있는 셀을 기본 구성 요소로 한다. 상기 YSZ와 같은 고체 전해질은 연료와 공기가 섞이지 않도록 치밀한 구조를 가지는 반면에 음극과 양극은 각각 연료와 수소가 원활히 확산되도록 다공성 구조를 갖도록 구성하는 것이 일반적이다.

상기 SOFC/SOEC의 셀로 크게 평판 형과 튜브 형이 개발되었다. 튜브 형은 다시 원통형과 셀 들의 연결(stacking)이 용이하도록 납작하게 만든 평판 형으로 분류된다. SOFC 셀의 출력밀도를 높이기 위해서 전극 지지체 위에 전해질을 얇은 막으로 입힘으로써 셀의 저항을 줄이는 것이 평판 형과 튜브 형 셀의 제작에서 일반적으로 사용되는 방법이다.

튜브 형 셀은 기계적 강도가 우수하며, 튜브의 양끝 또는 한쪽 끝만을 밀봉하기 때문에 평판 형 셀에 비해 밀봉 부위가 작아 내부와 외부의 가스 흐름을 제어하기 쉽다. 튜브 형 SOFC 셀의 유체통로를 연결하기 위해서는 금속 매니폴드와 셀을 브레이징하여 연결하거나(미국 특허공개 2007/0231660), 혹은 유리질을 포함하는 세라믹 페이스트를 바르는 방법이 사용된다.

한편, 튜브 형 중 원통형 셀은 열응력에 대한 저항 및 기계적 강도가 상대적으로 높고 압출성형으로 제조하여 대면적화가 가능하다는 장점이 있으나 전력밀도(출력)가 낮다는 한계를 가지고 있다. 또한, 원통형 셀은 구조상 스택을 구성하기 어렵고 셀의 저항이 크기 때문에, 내부에 격벽을 가진 평판 형 셀을 이용한 스택이 고안되었다(대한민국 등록특허 제10-1538555호). 그러나 원형의 단면을 갖는 원통형 셀과는 달리 직사각형의 단면을 갖는 평판 형 셀은 직사각형을 갖는 가스 매니폴드를 사용해야 하기 때문에 정확한 크기의 매니폴드 제작이 어렵고, 가스 누출 위험이 높아지며, 제작비용이 증가하는 문제점이 있다.

또한, 상기의 튜브 형 SOFC 스택은 셀과 가스 매니폴드의 밀봉 부위가 스택에서 많은 부피를 차지하기 때문에 콤팩트한 구조의 SOFC 스택을 만들기 어렵고, 밀봉 부위만큼 셀의 반응 면적이 줄어들기 때문에 셀의 제조비용이 늘어나는 문제점이 있다.

평판 형 SOFC/SOEC 셀은 셀 사이에 연료와 공기를 차단함과 동시에 셀과 셀 사이를 직렬회로로 연결해주는 역할을 하는 연결판을 사용한다. 상기 연결판으로 금속이나 세라믹 연결판을 이용하기 때문에 셀의 적층과 집전이 용이하나, 대면적의 평판 형 셀을 만들기 어렵고, 셀 상하의 연료와 공기의 흐름을 분리하기 위한 밀봉재가 별도로 필요한 단점이 있다.

또한, 상기 연결판으로 현재 주로 사용되는 금속 연결재(스테인레스와 같은 합금)는 고온에서 부식되는 문제, 스테인레스 합금으로부터 Cr이 휘발하여 SOFC/SOEC 셀의 양극과 반응함으로써 셀의 성능을 저하시키는 문제 등이 있다고 알려져 있다. 이러한 연결재 문제는 SOFC/SOEC 셀의 양극과 반응함으로써 셀의 성능을 저하시키는 문제 등이 있다고 알려져 있다. 이러한 연결재 문제를 SOFC/SOEC 스택의 내구성을 좌우하는 결정적인 문제이다. 또한, 고온 수전해장치(SOEC)는 SOFC와 달리 높은 농도의 수증기를 사용하므로 금속 연결재를 사용하는 것이 적절하지 못하다.

이에 대안으로서 세라믹 연결재를 고려할 수 있으나, 고가의 소재를 사용해야 하며, 깨지지 쉬운 성질(취성, brittle)이 있어서 대용량의 스택을 만들기에 적합하지 않았다.

두 가지 타입의 SOFC/SOEC 셀의 장점을 도입한 형태가 평관 형 SOFC/SOEC 셀이다. 평관 형 SOFC/SOEC 셀은 원통형 타입에 비하여 상대적으로 전력밀도(출력)가 높고 열응력에 대한 저항 및 기계적 강도가 우수하다는 장점이 있다. 그러나 평관 형 SOFC/SOCE 역시 출력을 높이기 위한 수단으로 적층을 하게 되는데 이때 (1) anode 및 cathode 측 전류집전에 어려움이 있으며, (2) 가스 입출구 매니폴드(manifold) 숫자가 셀 숫자에 비례하여 증가하기 때문에 가스 밀봉에 어려움이 있다.

또한, 종래기술의 평판 형 SOFC/SOCE셀은 전력밀도(출력)가 높은 장점이 있으나 가스 밀봉면적이 넓다는 문제, 적층 시 재료들 사이의 열팽창계수 차이에 의한 열적 쇼크 문제 그리고 대면적화가 어렵다는 단점이 있다. 구체적으로, 종래기술의 평판 형 SOFC/SOEC 적층 모듈을 스택으로 적층하는 경우, SOFC/SOEC 적층 모듈을 포함되는 평판 형 SOFC/SOEC 셀과 프레임의 열팽창 계수의 차이로 인해, 적층수가 많아 질수록 열팽창에 의한 SOFC/SOEC 셀과 프레임의 변형 차이가 누적되어 커지게 되어, 평판 형 SOFC/SOEC 셀과 프레임의 사이 또는 평판 형 SOFC/SOEC 모듈들이 서로 이격되어 파손 또는 고장의 원인으로 작용하게 되어, 평판 형 SOFC/SOEC 스택의 적층 수를 크게 하는데 한계가 있었다.

대한민국 공개특허 제2019-0131744호 대한민국 공개특허 제2017-0114259호

따라서 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 적층이 용이하고, 열팽창 변형에 대한 내구성을 향상시킨 구조를 가지는 평판 형 SOFC/SOEC 단전지 모듈 및 스택을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예는 셀의 두께 변화에 유연하게 대응하여 평판 형 SOFC/SOEC(고체 산화물 연료전지 고온 수전해) 단전지 모듈 및 스택의 조립을 용이하게 하고 구조 강도를 향상시키도록 분리형 셀 프레임을 구비한 평판 형 SOFC/SOEC 단전지 모듈 및 스택을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는, 연료와 공기의 입출구들이 형성된 하부 프레임을 포함하는 하부 프레임부: 상기 하부 프레임의 상부에 적층되는 음극 집전부; SOFC/SOEC 셀 장착 관통부가 형성된 셀 프레임으로 구성되어 상기 음극 집전부의 상부에 적층되는 셀 프레임부; 상기 SOFC/SOEC 셀 장착 관통부에 장착되는 SOFC/SOEC 셀; 상기 SOFC/SOEC 셀의 상부에 적층되는 양극 집전부; 및 연료와 공기의 입출구들이 형성되어 상기 양극 집전부의 상부에서 상기 셀 프레임부에 밀봉 적층되는 상부 프레임부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SOFC/SOEC 단전지 모듈을 제공한다.

상기 셀 프레임은, 상기 SOFC/SOEC 셀과 열팽창계수의 차가 10% 이내인 소재로 제작되는 것을 특징으로 한다.

상기 셀 프레임은, FC 460, 크로퍼(Crofer) 합금 또는 스테인리스 강 중 어느 하나의 소재로 제작되는 것을 특징으로 한다.

상기 상부 프레임, 셀 프레임, SOFC/SOEC셀 및 하부 프레임은, 서로 독립적으로 분리되어 연통하는 연료 채널과 공기 채널을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 상부 프레임은, 상기 SOFC/SOEC셀로 공기를 공급하도록 상기 양극 집전폼과 접하는 면 상에 다수의 공기 유로 채널들이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는, 연료와 공기의 입출구들이 형성된 하부 프레임을 포함하는 하부 프레임부: 음극 집전부, 셀 프레임부, SOFC/SOEC 셀, 양극 집전부 및 적층 프레임이 적층된 SOFC/SOEC 적층 모듈이 상기 하부 프레임부의 상부에 다 단으로 밀봉 적층되는 SOFC/SOEC 적층 모듈부; 및 연료와 공기의 입출구들이 형성되어 상기 SOFC/SOEC 적층 모듈부의 상부에 적층되는 상부 프레임부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SOFC/SOEC 스택을 제공한다.

상기 SOFC/SOEC 적층 모듈은, 상기 하부 프레임의 상부에 적층되는 음극 집전부; SOFC/SOEC 셀 장착 관통부가 형성된 셀 프레임으로 구성되어 상기 음극 집전부의 상부에 위치되도록 상기 하부 프레임의 상부에 적층되는 셀 프레임부; 상기 SOFC/SOEC 셀 장착 관통부에 장착되는 SOFC/SOEC 셀; 상기 SOFC/SOEC 셀의 상부에 적층되는 양극 집전부; 및 상기 양극 집전부의 상부에 위치되도록 상기 셀 프레임부의 상부에 밀봉 적층되는 적층 프레임으로 구성되는 적층 프레임부;를 포함하여, 순차적으로 적층되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 하부 프레임, 셀 프레임, SOFC/SOEC 셀 및 상부 프레임은, 서로 독립적으로 분리되어 연통하는 연료 채널과 공기 채널을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 적층 프레임은, 상기 하부의 양극 집전부와 상부의 음극 집전부에 대향하는 면 중 하나 이상의 면에 공기 유로 채널들이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 상부 프레임은, 상기 셀로 공기를 공급하도록 상기 양극 집전폼과 접하는 면 상에 다수의 공기 유로 채널들이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예의 평판 형 SOFC/SOEC 단전지 모듈 및 스택은, 다층으로 적층한 스택의 하중을 셀 프레임에서 분산하여 부담을 하게 되어 내구성이 향상되며, 셀에 하중에 의한 응력을 분산시키고, 밀봉 부위가 좁아서 신뢰성이 높다는 장점이 있다.

또한, 반복구조(repeating unit)로 구성되는 음극 집전부-셀 프레임부-양극 집전부 및 적층 프레임부를 SOFC/SOEC 적층 모듈부로 통합 부품화하여 반복 제작 시의 재현성을 높이고, 이로 인해 스택 구조가 간소화되어 스택 제작 공정을 자동화 할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

또한, 종래의 복합한 집전체 구조물 제거하여 부피를 최소화하고, 매니폴드를 하부 프레임과 상부 프레임에만 구성하게 되어 매니폴드 등의 부품 숫자를 줄일 수 있어 제작 비용을 현저히 절감시키는 효과를 제공한다.

또한, 하부 프레임과 상부 프레임을 전력 인출이나 공급을 위한 전극, 또는 내부로 흐르는 연료와 공기에 의한 열교환에 의해 외부로 열을 배출하는 열교환기로 적용할 수 있도록 함으로써, 발생되는 열의 수집 이용을 현저히 용이하게 하는 효과를 제공한다.

또한, SOFC/SOEC 셀과, SOFC/SOEC 셀과 열팽창 계수가 유사한 셀 프레임으로 셀 프레임부를 구성하는 것에 의해, 적층 수가 커지는 경우에도 열팽창에 의한 SOFC/SOEC 셀과 셀 프레임의 누적된 변형 크기의 차이가 최소화되어, SOFC/SOEC 셀의 파손이나 SOFC/SOEC 적층 모듈부 사이의 분리가 발생하는 것을 억제함으로써 SOFC/SOEC 스택의 내구성 및 구동 신뢰성을 현저히 향상시키고, 이에 의해 대용량 SOFC/SOEC 스택의 제작을 가능하게 하는 효과를 제공한다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 SOFC/SOEC 단전지 모듈(1)의 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 SOFC/SOEC 단전지 모듈(1)의 셀 프레임부(300)를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 SOFC/SOEC 단전지 모듈(1)의 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 SOFC/SOEC 적층 모듈(2)의 부분 단면 사시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 SOFC/SOEC 적층 모듈(2)의 사시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 SOFC/SOEC 스택(5)의 사시도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예의 SOFC/SOEC 적층 모듈부(7)의 사시도.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 SOFC/SOEC 단전지 모듈(1)의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예의 SOFC/SOEC 단전지 모듈(1)의 셀 프레임부(300)를 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예의 SOFC/SOEC 단전지 모듈(1)의 사시도이다.

도 1 내지 도 3과 같이, 상기 SOFC/SOEC 단전지 모듈(1)은 연료와 공기의 입출구들이 형성된 하부 프레임부(100), 상기 하부 프레임(111)의 상부에 적층되는 음극 집전부(200), 상기 음극 집전부(200)의 상부에 밀봉 적층되는 셀 프레임부(300), 상기 셀 프레임부(300)의 상부에 적층되는 양극 집전부(400) 및 상기 양극 집전부의 상부에 밀봉 적층되는 상부 프레임부(500)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 하부 프레임부(100)는 하부 프레임 연료 입출구(110)와 하부 프레임 공기 입출구(120)들 및 상부 면에 음극 밀봉재(10)가 안착되는 음극 밀봉재 패턴(111)이 형성된 하부 프레임(101)으로 구성된다.

상기 음극 집전부(200)는 상기 SOFC/SOEC 셀(30)의 저면과 접촉하는 것에 의해 SOFC/SOEC 셀(30)의 저면에서 생성된 전하를 인출하도록 도전성 금속 메쉬 폼 등으로 형성되어 상기 하부 프레임(111)의 상부에 적층되는 음극 집전폼(210)으로 구성된다.

상기 셀 프레임부(300)는 SOFC/SOEC 셀 장착 관통부(313)가 형성되어 상기 음극 밀봉재(10)의 상부에 밀봉 적층되는 셀 프레임(310)과, 상기 SOFC/SOEC 셀 장착 관통부(313)에 장착되는 SOFC/SOEC 셀(30)을 포함하여 구성된다. 상기 셀 프레임(310)에는 셀 프레임 공기 채널(311)이 형성될 수도 있다.

상기 셀 프레임(310)은 상기 SOFC/SOEC 셀(30)과의 열팽창에 의하나 열변형의 차이가 최소가 되도록 상기 SOFC/SOEC 셀(30)과의 열팽창계수의 차가 10% 이내인 소재로 제작되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 셀 프레임(310)의 소재는 세라믹 소재인 상기 SOFC/SOEC 셀(30)과 열팽창 계수가 유사한 FC 460, 크로퍼(Crofer) 합금 또는 스테인리스 강 중 어느 하나일 수 있다.

상술한 구성의 상기 셀프레임(310)은 상기 음극 집전폼(210)의 둘레 영역에 위치되도록 상기 하부 프레임(101)의 상부에 형성된 음극 밀봉재 패턴(111)에 장착되는 밀봉 부재로서의 음극 밀봉재(10)를 매개로 하여 상기 하부 프레임(101)의 상부에 밀봉 적층된다.

또한, 도면에는 미 도시되어 있으나, 상기 셀 프레임(310)의 상부에는 상기 양극 밀봉재(20)가 장착되는 양극 밀봉재 패턴부가 형성될 수 있다.

상기 양극 집전부(400)는 상기 SOFC/SOEC 셀(30)의 상부에 생성된 전하를 인출하기 위해 도전성 금속 메쉬폼 등으로 형성되어 상기 SOFC/SOEC 셀(30)의 상부에 적층되는 양극 집전폼(410)으로 구성된다.

상기 상부 프레임부(500)는 상부 프레임 연료 입출구(510)와 상부 프레임 공기 입출구(520)들이 형성된 구조를 가진다.

상기 상부 프레임(501)은 수직으로 관통 형성되는 상부 프레임 연료 채널(530)과 상부 프레임 공기 채널(540)과, 상기 상부 프레임 연료 채널(530)과 상부 프레임 공기 채널(540)을 차폐하는 상부 프레임 채널 밀폐재(550)를 포함하여 구성된다. 그리고 도면에는 미 도시되어 있으나, 저면에는 상기 양극 밀봉재(20)의 상부가 밀봉을 위해 삽입되어 장착되는 양극 밀봉재 패턴이 형성될 수 있다. 또한, 상기 상부 프레임(501)은 상기 SOFC/SOEC셀(30)로 공기를 공급하도록 상기 양극 집전폼(410)과 접하는 면 상에 다수의 공기 유로 채널(623, 도 4 참조)들이 형성될 수 있다.

상기 상부 프레임부(500)는 상기 SOFC/SOEC 셀(30)의 상부에 생성된 전하를 인출하기 위해 도전성 금속 메쉬폼 등으로 형성되어 장착되는 양극 집전폼(410)으로 구성된다.

상술한 구성의 상기 하부 프레임(101), 셀 프레임(310), SOFC/SOEC셀(30) 및 상부 프레임(501)은 밀봉 적층된 경우, 서로 독립적으로 분리되어 연통하는 연료 채널과 공기 채널을 형성하며 적층되고, 상기 음극 밀봉재(10)와 양극 밀봉재(20)에 의해 상기 연료 채널과 공기 채널이 외부와 차폐되도록 서로 적층 부착된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예의 SOFC/SOEC 적층 모듈(2)의 부분 단면 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예의 SOFC/SOEC 적층 모듈(2)의 사시도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예의 SOFC/SOEC 스택(5)의 사시도이다.

상기 SOFC/SOEC 적층 스택(5)은 다수가 적층되는 것에 의해 도 6의 SOFC/SOEC 스택(5)을 형성하는 것으로서, 도 4 내지 도 6과 같이, 연료와 공기의 입출구들이 형성된 하부 프레임(101)을 포함하는 하부 프레임부(100)와, 음극 집전부(200, 도 1 참조), 셀 프레임부(300), 양극 집전부(400, 도 1 참조) 및 적층 프레임(601)이 적층된 SOFC/SOEC 적층 모듈(2)들이 상기 하부 프레임부(100)의 상부에 다 단으로 밀봉 적층되는 SOFC/SOEC 적층 모듈부(3) 및 연료 입출구(510)와 공기 입출구(520)들이 형성되어 상기 SOFC/SOEC 적층 모듈부(3)의 상부에 밀봉 적층되는 상부 프레임부(500)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 SOFC/SOEC 적층 모듈(2)은 상기 하부 프레임(101)의 상부에 적층되는 음극 집전폼(210)으로 구성되는 음극 집전부(200)와, SOFC/SOEC 셀 장착 관통부(313)가 형성되어 상기 음극 집전부(200)를 밀봉하도록 상기 하부 프레임(101)의 상부에 밀봉 적층되는 셀 프레임(310)을 포함하여 구성되는 셀 프레임부(300)와, 상기 SOFC/SOEC 셀 장착 관통부(313)에 장착되는 SOFC/SOEC 셀(30)과, 상기 SOFC/SOEC 셀(30)의 상부에 적층되는 양극 집전폼(410)으로 구성되어 양극 집전부(400)와, 상기 양극 집전부(400)의 상부에 위치되도록 상기 셀 프레임(310)의 상부에 적층되는 적층 프레임(601)으로 구성되는 적층 프레임부(600)를 포함하여, 순차적으로 적층되도록 구성될 수 있다.

이때, 상기 셀 프레임(310)은 상기 음극 집전폼(210)의 둘레 영역에 위치되도록 상기 하부 프레임(101)의 상부에 장착되는 음극 밀봉재(10)를 매개로 상기 하부 프레임(101)의 상부에 밀봉 적층된다.

그리고 상기 상부 프레임(501)은 상기 양극 집전폼(410)의 둘레 영역에 위치되도록 상기 셀 프레임(310)의 상부에 장착되는 양극 밀봉재(20)를 매개로 상기 셀 프레임(310)의 상부에 밀봉 적층된다.

상술한 구성에서 상기 하부 프레임(101), 셀 프레임(310), SOFC/SOEC셀(30), 하부 프레임(501) 및 적층 프레임(601)은, 서로 독립적으로 분리되어 연통하는 연료 채널과 공기 채널을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 적층 프레임(601)은 상기 하부의 양극 집전부(400)와 상부의 음극 집전부(200)에 대향하는 면 중 하나 이상의 면에 공기 유로 채널(623)들이 형성된다.

상기 하부 프레임부(100), 음극 집전부(200), 셀 프레임부(300), 양극 집전부(400) 및 상부 프레임부(500)의 구성은 상기 도 1 내지 도 3의 구성과 동일한 구성으로서 그 상세한 설명은 생략한다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예의 SOFC/SOEC 적층 모듈부(7)의 사시도이다.

도 7과 같이, 상기 SOFC/SOEC적층 모듈부(7)를 구성하는 SOFC/SOEC 적층 모듈(6)은 음극 집전부(200a), 셀 프레임부(300a), 양극 집전부(400a) 및 적층 프레임부(600a)가 음극 밀봉재(10, 도 1 내지 도 6 참조) 및 양극 밀봉재(20, 도 1 내지 도 6 참조)에 의해 밀봉되도록 적층되어 형성된다. 그리고 상기 SOFC/SOEC 적층 모듈부(7)는 상기 적층 모듈(6)이 음극 밀봉재(20)에 의해 밀봉되어 적층된다. 이때, 상기 적층 프레임부(600a)를 구성하는 적층 프레임(601a)은 상부면 또는 하부면 중 하나 이상에 공기 유로 채널(623)들이 형성될 수 있다.

또한, 최하부와 최상부에 위치하는 상기 적층 프레임(601a)은 연료 입출구와 공기 입출구가 형성되는 경우, 공기 채널과 연료 채널을 밀폐하는 채널 밀폐재(550)에 의해 공기 채널과 연료 채널이 차폐되는 경우, 하부 프레임과 상부 프레임으로 기능하도록 구성될 수도 있다.

상술한 구성의 본 발명의 실시에의 SOFC/SOEC 단전지 모듈 및 스택은 셀 프레임을 별로도 구성하는 것에 의해, 종래기술의 SOFC/SOEC 셀을 지지하는 프레임 상에 안착 홈을 형성하는 공정을 수행하지 않도록 하는 것에 의해, 제조 공정을 간소화시키며, 상부 및 하부 프레임과 음극 집전부, 셀 프레임부, 적층 프레임부의 순차적 적층을 용이하게 함으로써, 대용량 스택의 제조를 현저히 용이하게 한다.

또한, 본 발명의 실시에의 SOFC/SOEC 단전지 모듈 및 스택은, 셀 프레임의 높이를 다양하게 형성하는 것에 의해 제조 시 성형이 어렵고 치수 오차가 큰 본 SOFC/SOEC 셀에 유연하고 적응적으로 대응할 수 있도록 한다.

또한, 셀 프레임의 열팽창 계수를 SOFC/SOEC 셀의 열팽창 계수와 같거나 유사하도록 하고, 셀 프레임과 SOFC/SOEC 셀을 동일 체적 내에 위치시킴으로써, 셀 프레임과 SOFC/SOEC 셀이 동시에 동일한 열 변형이 수행되어, 종래의 합금 또는 금속 프레임을 적용하는 것에 비해 셀 프레임과 SOFC/SOEC 셀의 열팽창 변형의 차이가 최소화됨으로써 스택으로 적층 시에도 누적되는 열팽창 변형의 차이가 최소화되는 것에 의해 대용량의 스택을 용이하게 신뢰성 있게 적층 제작할 수 있도록 한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일 형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: SOFC/SOEC 단전지 모듈
2, 6: SOFC/SOEC 적층 모듈
3, 7: SOFC/SOEC 적층 모듈부
5: SOFC/SOEC 스택
10: 음극 밀봉재
20: 양극 밀봉재
30: 셀(SOFC/SOEC 셀)
31: 셀 연료 채널
100: 하부 프레임부
101: 하부 프레임
111: 음극 밀봉재 패턴
110: 하부 프레임 연료 입출구
120: 하부 프레임 공기 입출구
200: 음극 집전부
210: 음극 집전폼
300: 셀 프레임부
310: 셀 프레임
311: 셀 프레임 공기 채널
313: 셀 장착 관통부
400: 양극 집전부
410: 양극 집전폼
500: 상부 프레임부
501: 상부 프레임
510: 상부 프레임 연료 입출구
520: 상부 프레임 공기 입출구
530: 상부 프레임 연료 채널
540: 상부 프레임 공기 채널
550: 상부 프레임 채널 밀폐재
600: 적층 프레임부
601: 적층 프레임
611: 적층 프레임 연료 채널
621: 적층 프레임 공기 채널
623: 공기 유로 채널

Claims

연료와 공기의 입출구들이 형성된 하부 프레임을 포함하는 하부 프레임부:
상기 하부 프레임의 상부에 적층되는 음극 집전부;
SOFC/SOEC 셀 장착 관통부가 형성된 셀 프레임으로 구성되어 상기 음극 집전부의 상부에 적층되는 셀 프레임부;
상기 SOFC/SOEC 셀 장착 관통부에 장착되는 SOFC/SOEC 셀;
상기 SOFC/SOEC 셀의 상부에 적층되는 양극 집전부; 및
연료와 공기의 입출구들이 형성되어 상기 양극 집전부의 상부에서 상기 셀 프레임부에 밀봉 적층되는 상부 프레임부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SOFC/SOEC 단전지 모듈.
제1항에 있어서, 상기 셀 프레임은,
상기 SOFC/SOEC 셀과 열팽창계수의 차가 10% 이내인 소재로 제작되는 것을 특징으로 하는 SOFC/SOEC 단전지 모듈.
제1항에 있어서, 상기 셀 프레임은,
FC 460, 크로퍼(Crofer) 합금 또는 스테인리스 강 중 어느 하나의 소재로 제작되는 것을 특징으로 하는 SOFC/SOEC 단전지 모듈.
제1항에 있어서,
상기 상부 프레임, 셀 프레임, SOFC/SOEC셀 및 하부 프레임은,
서로 독립적으로 분리되어 연통하는 연료 채널과 공기 채널을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SOFC/SOEC 단전지 모듈.
제1항에 있어서, 상기 상부 프레임은,
상기 SOFC/SOEC셀로 공기를 공급하도록 상기 양극 집전부의 양극 집전폼과 접하는 면 상에 다수의 공기 유로 채널들이 형성되는 것을 특징으로 하는 SOFC/SOEC 단전지 모듈.
연료와 공기의 입출구들이 형성된 하부 프레임을 포함하는 하부 프레임부:
음극 집전부, 셀 프레임부, SOFC/SOEC 셀, 양극 집전부 및 적층 프레임이 적층된 SOFC/SOEC 적층 모듈이 상기 하부 프레임부의 상부에 다 단으로 밀봉 적층되는 SOFC/SOEC 적층 모듈부; 및
연료와 공기의 입출구들이 형성되어 상기 SOFC/SOEC 적층 모듈부의 상부에 적층되는 상부 프레임부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SOFC/SOEC 스택.
제6항에 있어서, 상기 SOFC/SOEC 적층 모듈은,
상기 하부 프레임의 상부에 적층되는 음극 집전부;
SOFC/SOEC 셀 장착 관통부가 형성된 셀 프레임으로 구성되어 상기 음극 집전부의 상부에 위치되도록 상기 하부 프레임의 상부에 적층되는 셀 프레임부;
상기 SOFC/SOEC 셀 장착 관통부에 장착되는 SOFC/SOEC 셀;
상기 SOFC/SOEC 셀의 상부에 적층되는 양극 집전부; 및
상기 양극 집전부의 상부에 위치되도록 상기 셀 프레임부의 상부에 밀봉 적층되는 적층 프레임으로 구성되는 적층 프레임부;를 포함하여, 순차적으로 적층되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 SOFC/SOEC 스택.
제6항에 있어서, 상기 셀 프레임은,
상기 SOFC/SOEC 셀과 열팽창계수의 차가 10% 이내인 소재로 제작되는 것을 특징으로 하는 SOFC/SOEC 스택.
제6항에 있어서, 상기 셀 프레임은,
FC 460, 크로퍼(Crofer) 합금 또는 스테인리스 강 중 어느 하나의 소재로 제작되는 것을 특징으로 하는 SOFC/SOEC 스택.
제6항에 있어서,
상기 하부 프레임, 셀 프레임, SOFC/SOEC 셀 및 상부 프레임은, 서로 독립적으로 분리되어 연통하는 연료 채널과 공기 채널을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SOFC/SOEC 스택.
제6항에 있어서, 상기 적층 프레임은,
상기 하부의 양극 집전부와 상기 상부의 음극 집전부에 대향하는 면 중 하나 이상의 면에 공기 유로 채널들이 형성되는 것을 특징으로 하는 SOFC/SOEC 스택.
제6항에 있어서, 상기 상부 프레임은,
상기 셀로 공기를 공급하도록 상기 양극 집전부의 양극 집전폼과 접하는 면 상에 다수의 공기 유로 채널들이 형성되는 것을 특징으로 하는 SOFC/SOEC 스택.