KR20220144640A - Structure of fuel cell - Google Patents

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KR20220144640A
KR20220144640A KR1020210051201A KR20210051201A KR20220144640A KR 20220144640 A KR20220144640 A KR 20220144640A KR 1020210051201 A KR1020210051201 A KR 1020210051201A KR 20210051201 A KR20210051201 A KR 20210051201A KR 20220144640 A KR20220144640 A KR 20220144640A
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박희정
이상은
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단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a fuel cell structure and, more specifically, to a fuel cell structure capable of reducing a thermal gradient formed in a fuel cell. The fuel cell structure of the present invention includes: at least four fuel cell stacks arranged adjacent to at least two different fuel cell stacks; gaps formed among the four fuel cell stacks; a fuel passage disposed within the gaps and configured to allow fuel to flow to each fuel cell stack; and an air passage disposed within the gaps and configured to allow air to flow to each fuel cell stack.

Description

연료전지 구조{STRUCTURE OF FUEL CELL}Fuel cell structure {STRUCTURE OF FUEL CELL}

본 발명은 연료전지 구조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 연료전지 내 형성되는 열 구배를 저감할 수 있는 연료전지 구조에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell structure, and more particularly, to a fuel cell structure capable of reducing a thermal gradient formed in the fuel cell.

화석연료의 사용에 의해 야기되는 환경 문제 및 자원 고갈에 따른 에너지 문제는 세계적으로 영향을 미치는 메가 트랜드 이슈에 해당한다. 이에 세계 각지에서는 화석연료를 대체하기 위한 대안 마련에 열의를 쏟고 있다. 제시되고 있는 대안 중 하나가 수소(hydrogen)를 이용하는 신재생에너지이며, 대체에너지 중 하나로 전기화학 에너지 변환장치인 연료전지(fuel cells)가 큰 주목을 받고 있다. Environmental problems caused by the use of fossil fuels and energy problems due to resource depletion are mega-trend issues affecting the world. As a result, countries around the world are focusing their efforts on developing alternatives to fossil fuels. One of the proposed alternatives is renewable energy using hydrogen, and as one of the alternative energy, fuel cells, which are electrochemical energy converters, are receiving great attention.

연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), 인산 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 및 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 등으로 구분될 수 있다. Depending on the type of electrolyte, the fuel cells are Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC), Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) and solid oxide fuel. It may be classified into a solid oxide fuel cell (SOFC) and the like.

연료전지는 핵심 요소로서 셀(단전지) 및 스택을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 셀(C)은 연료의 산화가 일어나는 음극(anode, 120), 산소의 환원이 일어나는 양극(cathode, 140), 산소이온 또는 수소이온이 전도되는 고체전해질(solid electrolyte, 160)을 포함한다. 고체산화물 연료전지(SOFC) 및 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 경우 고체전해질이 사용된다. 스택은 셀(C)을 적층한 형태이며 추가적으로 밀봉재 및 분리판을 포함한다. A fuel cell includes a cell (unit cell) and a stack as key elements. As shown in Figure 1, the cell (C) is a cathode (anode, 120) where oxidation of fuel occurs, anode (cathode, 140) where reduction of oxygen occurs, and a solid electrolyte through which oxygen ions or hydrogen ions are conducted. , 160). In the case of a solid oxide fuel cell (SOFC) and a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a solid electrolyte is used. The stack is in the form of stacking cells (C) and additionally includes a sealing material and a separator.

구조 측면에서 연료전지는 평판형, 원통형, 평관형 등으로 구분될 수 있다. 이 중 평판형 연료전지가 일반적으로 사용되고 있다. In terms of structure, the fuel cell can be divided into a flat plate type, a cylindrical type, a flat tube type, and the like. Among them, the flat type fuel cell is generally used.

셀과 스택의 구성요소 및 구조 측면에서 앞서 나열한 연료전지들은 유사한 특징이 있지만 작동온도, 연료, 셀과 스택의 소재, 에너지 변환 효율 등에서 큰 차이를 보인다. In terms of cell and stack components and structures, the fuel cells listed above have similar characteristics, but show significant differences in operating temperature, fuel, cell and stack material, and energy conversion efficiency.

예를 들어, 고체산화물 연료전지(SOFC)는 효율이 높고 연료 불순물에 대한 상대적인 허용도가 높아 다양한 연료 사용이 가능하며, 플래티넘(Pt) 등의 고가의 귀금속을 사용하지 않기 때문에 차세대 연료전지로 주목받고 있다. For example, solid oxide fuel cells (SOFCs) are attracting attention as next-generation fuel cells because they have high efficiency and high relative tolerance for fuel impurities, allowing the use of various fuels. are receiving

하지만 고온에서의 운전으로 셀과 스택의 열 변형과 온도 구배에 의한 구성요소의 열화 및 박리로 내구성이 낮은 단점이 존재한다. 셀과 스택에 형성되는 열 구배는 셀 성능의 감소를 초래하며, 열 구배가 클 경우 파괴까지 발생된다. 그 외에도 열 구배는 밀봉재의 수명에도 영향을 주는 것으로 알려져 있다. However, there is a disadvantage of low durability due to thermal deformation of cells and stacks due to operation at high temperature and deterioration and delamination of components due to temperature gradient. Thermal gradients formed in cells and stacks lead to a decrease in cell performance, and if the thermal gradients are large, even destruction occurs. In addition, thermal gradients are known to affect the life of the sealant.

따라서, 열 구배를 감소시킬 수 있는 연료전지 구조에 대한 개발이 필요한 실정이다. Therefore, there is a need to develop a fuel cell structure capable of reducing the thermal gradient.

미국 특허출원공개공보 US2020/0144656 (공개일자: 2020.05.07)US Patent Application Publication No. US2020/0144656 (Published date: 2020.05.07)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, The present invention has been devised to solve the above problems,

연료전지의 작동온도를 낮추고 셀과 스택의 열 구배를 저감할 수 있는 연료전지 구조를 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide a fuel cell structure capable of lowering the operating temperature of the fuel cell and reducing the thermal gradient between the cell and the stack.

본 발명은 연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 구조를 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide a fuel cell structure capable of improving the durability of the fuel cell.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above, and other objects not mentioned are clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below (hereinafter referred to as "those skilled in the art"). it could be

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다. In order to achieve the object of the present invention as described above and perform the characteristic functions of the present invention to be described later, the features of the present invention are as follows.

본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 연료전지 구조는 서로 다른 적어도 두 개의 연료전지 스택과 이웃하도록 배열되는 적어도 네 개의 연료전지 스택; 상기 네 개의 연료전지 스택 사이에 형성되는 간극; 상기 간극 내에 배치되고, 각 연료전지 스택으로 연료가 유동하도록 구성되는 연료통로; 및 상기 간극 내에 배치되고, 각 연료전지 스택으로 공기가 유동하도록 구성되는 공기통로를 포함한다.According to some embodiments of the present invention, a fuel cell structure includes at least four fuel cell stacks arranged to be adjacent to at least two different fuel cell stacks; a gap formed between the four fuel cell stacks; a fuel passage disposed in the gap and configured to flow fuel to each fuel cell stack; and an air passage disposed in the gap and configured to flow air to each fuel cell stack.

본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 연료전지 구조는 복수의 연료전지 스택;-가로방향으로 N1개 및 세로방향으로 N2개의 연료전지 스택이 배열되고 여기에서 N1 및 N2는 서로 같거나 다른 자연수임; 각 연료전지 스택 사이에 마련되고 서로 연통하도록 구성되는 간극; 및 상기 간극에 형성되고, 각 연료전지 스택으로 연료 및 공기를 각각 공급하도록 구성되는 연료통로 및 공기통로를 포함한다.According to some embodiments of the present invention, the fuel cell structure includes a plurality of fuel cell stacks; - N1 fuel cell stacks in a horizontal direction and N2 fuel cell stacks in a longitudinal direction are arranged, wherein N1 and N2 are natural numbers equal to or different from each other; a gap provided between each fuel cell stack and configured to communicate with each other; and a fuel passage and an air passage formed in the gap and configured to respectively supply fuel and air to each fuel cell stack.

본 발명에 따르면, 연료전지의 작동온도를 낮추고 셀과 스택의 열 구배를 저감할 수 있는 연료전지 구조가 제공된다. According to the present invention, there is provided a fuel cell structure capable of lowering the operating temperature of the fuel cell and reducing the thermal gradient between the cell and the stack.

본 발명에 따르면, 연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 구조가 제시된다. According to the present invention, a fuel cell structure capable of improving the durability of the fuel cell is provided.

본 발명의 효과는 전술한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 인식될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to those described above, and other effects not mentioned will be clearly recognized by those skilled in the art from the following description.

도 1은 연료전지 셀의 모식도이고,
도 2는 평판형 셀을 적층한 기존 단일 스택 구조의 연료전지의 모식도이고,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 구조를 개괄적으로 도시하고,
도 4는 도 3의 정면도이고,
도 5는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 연료전지 구조를 도시하고,
도 6은 도 5의 상부가 투명화된 상태를 도시하고,
도 7은 도 3의 평면도이고,
도 8은 기존 단일 스택 구조에서 셀과 스택의 예시적인 온도 분포를 도시하고,
도 9는 기존 단일 스택 구조의 예상 열 구배 모식도이고,
도 10은 본 발명에 따른 연료전지 구조의 예상 열 구배 모식도이다. 1 is a schematic diagram of a fuel cell cell;
2 is a schematic diagram of a fuel cell having a conventional single stack structure in which flat cells are stacked;
3 schematically shows the structure of a fuel cell according to the present invention,
Figure 4 is a front view of Figure 3,
5 shows a structure of a fuel cell according to some embodiments of the present invention;
Figure 6 shows a state in which the upper part of Figure 5 is transparent,
7 is a plan view of FIG. 3;
8 shows an exemplary temperature distribution of cells and stacks in a conventional single stack structure;
9 is a schematic diagram of an expected thermal gradient of an existing single stack structure;
10 is a schematic diagram of a predicted thermal gradient of a fuel cell structure according to the present invention.

발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Specific structural or functional descriptions presented in the embodiments of the present invention are only exemplified for the purpose of describing embodiments according to the concept of the present invention, and the embodiments according to the concept of the present invention may be implemented in various forms. In addition, it should not be construed as being limited to the embodiments described herein, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다. Meanwhile, in the present invention, terms such as first and/or second may be used to describe various components, but the components are not limited to the above terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components, for example, within the scope not departing from the scope of the rights according to the concept of the present invention, the first component may be named as the second component, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it should be understood that it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in between. something to do. On the other hand, when an element is referred to as being “directly connected” or “in direct contact with” another element, it should be understood that no other element is present in the middle. Other expressions for describing the relationship between elements, that is, expressions such as "between" and "immediately between" or "adjacent to" and "directly adjacent to", should be interpreted similarly.

명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. Like reference numerals refer to like elements throughout. Meanwhile, the terms used herein are for the purpose of describing the embodiments and are not intended to limit the present invention. In this specification, the singular form also includes the plural form unless specifically stated in the phrase. As used herein, “comprises” and/or “comprising” means that the stated component, step, operation and/or element is the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements. or addition is not excluded.

고체산화물 연료전지(SOFC)를 포함한 고온작동 연료전지는 장시간 작동, 작동온도 증감(up-down), 연료를 포함한 가스의 유량 변화, 시스템 작동여부(on-off) 등의 작동 환경에 따른 성능 감소를 수반한다. 특히 연료전지의 핵심 구성 부품인 셀과 스택에서 작동 환경에 따른 성능감소가 심각하다. High-temperature operation fuel cells, including solid oxide fuel cells (SOFC), have reduced performance due to operating environments such as long-term operation, operating temperature up-down, change in flow rate of gas including fuel, and system operation (on-off). is accompanied by In particular, in cells and stacks, which are key components of fuel cells, the performance decrease according to the operating environment is serious.

고온 작동, 열 구배 등 작동 환경에 의한 연료전지 셀과 스택의 열화 현상은 크게 화학적 변화와 구조적 변화로 구분될 수 있다. 화학적 변화로는 셀의 구성 성분인 양극과 음극에서 구성 성분의 확산으로 인한 조성변화, 전해질과 전극의 반응으로 인한 이차상 생성, 고온작동으로 인한 구성 원소 증발이 대표적이다. 스택의 경우에는 분리판 성분의 확산, 산화물 생성 등의 화학적 변화가 발생한다. 또한, 연료에 포함된 탄화수소(CxHy)로부터 발생하는 탄소의 침적, 불순물 성분인 황 관련가스(황(S), 황화수소(H2S) 등)에 의한 촉매 피독 등도 자주 발생한다. The deterioration of fuel cell cells and stacks due to operating environments such as high-temperature operation and thermal gradients can be largely divided into chemical changes and structural changes. Typical examples of chemical change are composition change due to diffusion of constituents in the anode and cathode, which are components of the cell, secondary phase formation due to the reaction between electrolyte and electrode, and evaporation of constituent elements due to high-temperature operation. In the case of the stack, chemical changes such as diffusion of the separator components and the formation of oxides occur. In addition, deposition of carbon generated from hydrocarbons (C x H y ) contained in fuel and catalyst poisoning by sulfur-related gases (sulfur (S), hydrogen sulfide (H 2 S), etc.), which are impurity components, also occur frequently.

구조적 변화의 경우, 미세구조 변화와 기계적 구조 변화로 나뉠 수 있으며 고온 작동에 의해 셀 전극의 미세구조 변화가 자주 관찰된다. 열화 현상 외에도 열팽창 부정합에 의한 성분 간 박리 및 기계적 파괴도 관찰되고 있다. 이와 같은 열화 현상 및 구조적·기계적 변형은 셀과 스택 내 열 구배가 클 경우 더욱 심각해질 수 있다. 따라서, 셀·스택 내 열 구배를 저감하는 것이, 즉, 온도 분포를 균일하게 하는 것이 연료전지의 내구성 측면에서 매우 중요하다. Structural changes can be divided into microstructural changes and mechanical structural changes, and microstructural changes of cell electrodes are frequently observed due to high-temperature operation. In addition to the deterioration phenomenon, delamination and mechanical destruction between components due to thermal expansion mismatch are also observed. Such deterioration and structural and mechanical deformation may become more serious when the thermal gradient within the cell and stack is large. Therefore, it is very important in terms of durability of the fuel cell to reduce the thermal gradient within the cell stack, that is, to make the temperature distribution uniform.

그 밖에 셀과 스택의 열화 현상, 박리 및 파괴는 셀과 스택 디자인, 형상, 콤포넌트 소재, 제조공정, 작동 환경 등 복잡하고 다양한 요인에 의해 영향을 받고 있지만, 셀과 스택 내 열 구배 저감은 핵심 제어변수 중 하나임이 분명하다. 이에 본 발명은 셀과 스택 내 열 구배를 저감시킬 수 있는 연료전지 구조를 제공하고자 한다. In addition, cell and stack degradation, delamination and destruction are affected by complex and diverse factors such as cell and stack design, shape, component material, manufacturing process, and operating environment. It is obviously one of the variables. Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell structure capable of reducing a thermal gradient within the cell and the stack.

열 구배의 저감은 비단 고체산화물 연료전지(SOFC)뿐만 아니라, 다른 연료전지 구동에서도 동일하게 요구되는 사항이다. 다만, 작동온도가 가장 높은 고체산화물 연료전지(SOFC)에서 보다 중요한 요인으로써 요구되는 바(SOFC의 작동온도는 일반적으로 600℃ 이상임), 이하 본 명세서에서는 고체산화물 연료전지(SOFC)를 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명의 연료전지 구조를 고체산화물 연료전지에만 국한시키려 하는 것은 아니며 다른 유형의 연료전지 구조에도 적용될 수 있다는 점이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. Reduction of the thermal gradient is a requirement not only for the solid oxide fuel cell (SOFC), but also for driving other fuel cells. However, it is required as a more important factor in the solid oxide fuel cell (SOFC), which has the highest operating temperature (the operating temperature of the SOFC is generally 600° C. or higher). Hereinafter, a solid oxide fuel cell (SOFC) will be described as an example do. However, it will be apparent to those skilled in the art that the fuel cell structure of the present invention is not intended to be limited to a solid oxide fuel cell and may be applied to other types of fuel cell structures.

고체산화물 연료전지(SOFC)의 경우 소형보다는 대형, 수송용보다는 정치형 발전에서 장점이 많은 유형의 연료전지이다. 대형 발전을 위해 평판형 셀을 대면적화하는 방향으로 기술이 개발되어 왔다. 하지만 셀의 대면적화는 세라믹 공정기술에 기반하기 때문에 셀 품질의 균일성 및 일관성 확보가 어렵고 낮은 생산성으로 인하여 대부분의 연구기관에서 개발이 중단된 상태이다. 따라서 품질, 양산성, 단위 셀 출력 고려 시 적정한 크기의 셀이 요구되고 있으며, 공정기술 및 산업적 니즈(needs)를 고려할 때 100 ㎠ 이하의 면적이 적절하다. Solid oxide fuel cells (SOFCs) are a type of fuel cell that has many advantages in large-scale rather than small-sized and stationary power generation rather than transportation. For large-scale power generation, technology has been developed in the direction of increasing the area of flat-type cells. However, since cell size expansion is based on ceramic process technology, it is difficult to ensure uniformity and consistency of cell quality, and most research institutes have stopped development due to low productivity. Therefore, in consideration of quality, mass productivity, and unit cell output, a cell of an appropriate size is required, and an area of 100 cm2 or less is appropriate in consideration of process technology and industrial needs.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 기존 연료전지 스택은 평판형 셀(C)을 단순 적층하는 방식으로 단일 스택 구조로 설계되어 왔다. 단일 스택 구조는 스택 제작 측면에서 공정 난이도가 낮아 명확한 장점이 있으나, 면적이 커질 수록 실링 난이도가 높아지고, 가스(연료 및 공기) 분포의 불균일성이 커지며, 셀 내부 및 스택 내부 온도 구배(열 구배)가 커지는 단점이 존재한다. 특히, 열 구배가 커 셀과 스택 구성요소의 열화 및 구성요소 간 박리가 쉽게 발생한다. In addition, as shown in FIG. 2 , the conventional fuel cell stack has been designed to have a single stack structure by simply stacking flat cells (C). The single stack structure has clear advantages in terms of stack fabrication due to its low process difficulty. However, as the area increases, the sealing difficulty increases, the non-uniformity of gas (fuel and air) distribution increases, and the temperature gradient (thermal gradient) inside the cell and inside the stack increases. There are growing disadvantages. In particular, since the thermal gradient is large, deterioration of the cell and stack components and delamination between the components easily occur.

이에 본 발명은 기존 단일 스택 구조의 셀보다 작은 면적을 가진 셀을 포함하는 복수 개의 스택을 하나로 통합하여 연료전지를 구성함으로써, 연료전지에 형성되는 열 구배를 저감시키고 내구성을 향상시킬 수 있다. Accordingly, according to the present invention, a fuel cell is formed by integrating a plurality of stacks including cells having an area smaller than that of cells having a conventional single stack structure, thereby reducing a thermal gradient formed in the fuel cell and improving durability.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3 내지 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 구조는 복수의 연료전지 스택(10)을 포함한다. 연료전지 스택(10)은, 전술한 바와 같이, 적층되는 복수의 셀(100)을 포함한다. 도 1을 재참조하면, 셀(100)은 음극(120), 양극(140) 및 전해질(160)을 포함한다. 지지체(180)는 음극(120), 양극(140) 및 전해질(160) 중 어느 하나의 재료로 구성되며, 고체산화물 연료전지(SOFC)에서 주로 사용되는 구조는 음극 재료가 사용되는 음극 지지형이다. 음극(120), 양극(140) 및 전해질(160)은, 각각, 대략 수십 마이크로미터 이하의 두께를, 지지체(180)는 기계적·물리적 지지를 위해 대략 100마이크로미터 이상의 두께를 가진다. 고체산화물 연료전지(SOFC)에서 음극부터 양극까지 코팅층은 지지체 위에 다양한 코팅법으로 코팅한 후 소성(firing)하여 제작될 수도 있고, 지지체부터 전해질까지 테이프 캐스팅법을 이용하여 각 테이프를 제조한 뒤 적층하고 소성하여 제작될 수도 있다. 3 to 6 , the fuel cell structure according to the present invention includes a plurality of fuel cell stacks 10 . The fuel cell stack 10 includes a plurality of cells 100 stacked as described above. Referring back to FIG. 1 , the cell 100 includes an anode 120 , an anode 140 , and an electrolyte 160 . The support 180 is composed of any one material of the negative electrode 120 , the positive electrode 140 , and the electrolyte 160 , and the structure mainly used in a solid oxide fuel cell (SOFC) is a negative electrode support type in which the negative electrode material is used. . The negative electrode 120 , the positive electrode 140 , and the electrolyte 160 each have a thickness of about several tens of micrometers or less, and the support 180 has a thickness of about 100 micrometers or more for mechanical and physical support. In a solid oxide fuel cell (SOFC), the coating layer from the negative electrode to the positive electrode may be manufactured by coating the support with various coating methods and then firing, or from the support to the electrolyte, each tape is prepared using a tape casting method and then laminated And it can also be produced by firing.

도 7을 참조하여, 본 발명의 일부 실시 형태에 따르면, 셀(100)은 미리 설정된 크기로 형성된다. 보다 구체적으로는, 셀(100)은 종래 셀보다 더 작은 단면을 갖도록 구성된다. 비제한적인 예로서, 셀(100)은 평판형이고 셀(100)의 한 변(d)은 대략 0 초과 내지 10 센티미터(cm) 범위의 길이로 구성될 수 있고, 바람직하게는, 5센티미터(cm)이다. Referring to FIG. 7 , in accordance with some embodiments of the present invention, a cell 100 is formed in a preset size. More specifically, the cell 100 is configured to have a smaller cross-section than a conventional cell. As a non-limiting example, the cell 100 is planar and one side (d) of the cell 100 may be configured with a length ranging from approximately greater than 0 to 10 centimeters (cm), preferably 5 centimeters (cm). cm).

연료전지 셀과 스택 내 열 구배 저감, 즉, 셀과 스택 내에서 온도가 균일하게 분포되도록 하기 위해서는 구조적 측면에서 셀의 크기가 작을 수록 유리하다. 하지만 셀의 면적이 감소할수록 셀 당 출력은 감소하기 때문에 스택 내 셀의 개수가 증가되어야 한다. 또한, 하나의 단위 셀을 생산하는 제조·공정 측면 및 원단위 생산 단가 측면에서도 셀의 면적이 클수록 유리하다. 이로 인하여 셀의 면적을 증가시키는 방향으로 연료전지 셀 개발이 진행되어 왔다. 이처럼 내구성을 제외한 부분에서 보다 큰 면적을 가지는 셀은 장점을 가지고 있고 오랜 연구 개발을 통해 관련 기술도 확보된 바 있다. 하지만 셀 제조 기술의 난이도, 낮은 양산성, 실링을 포함하는 스택 제작 난이도 때문에 셀의 대면적화 전략이 거의 중단 상태에 있으며, 다시 작은 크기의 셀로 기술 개발 트렌드가 바뀌고 있다. 최근에는 10 cm x 10 cm 크기 또는 20 cm x 20 cm 크기의 평판형 셀 개발이 많이 이루어지고 있다. In order to reduce the thermal gradient in the fuel cell and the stack, that is, to uniformly distribute the temperature in the cell and the stack, the smaller the size of the cell is advantageous in terms of structure. However, since the output per cell decreases as the area of the cell decreases, the number of cells in the stack must be increased. In addition, the larger the cell area, the more advantageous in terms of manufacturing and process of producing one unit cell and in terms of unit production cost. For this reason, fuel cell development has been progressing in the direction of increasing the area of the cell. As such, cells having a larger area except for durability have advantages, and related technologies have been secured through long research and development. However, due to the difficulty of cell manufacturing technology, low mass production, and the difficulty of stack manufacturing including sealing, the strategy for increasing the area of cells is almost on a standstill, and the technology development trend is changing to small-sized cells again. Recently, a lot of flat-type cells with a size of 10 cm x 10 cm or 20 cm x 20 cm have been developed.

본 발명에 의하면 셀(100)의 크기가 가능한 작게 형성된다. 일반적으로 셀 크기가 작아지면 작아질수록 결함 제어 난이도, 셀 제조 난이도 및 스택 제작 난이도는 낮아지고 품질의 균일성은 높아진다. 또한, 소면적 셀은 상대적으로 대면적 셀 대비 기계적 또는 열적으로 외부 충격 저항성이 크며, 다양한 요인으로 발생하는 열 구배도 작은 장점이 있다. 다만, 셀 면적 감소에 따라 출력도 감소한다. According to the present invention, the size of the cell 100 is formed as small as possible. In general, the smaller the cell size, the lower the defect control difficulty, the cell manufacturing difficulty, and the stack manufacturing difficulty, and the higher the quality uniformity. In addition, the small-area cell has a relatively high mechanical or thermal resistance to external impact compared to the large-area cell, and the thermal gradient caused by various factors is also small. However, as the cell area decreases, the output also decreases.

본 발명은 이러한 단점을 극복하기 위하여, 적어도 네 개 이상의 스택(10)을 하나로 연결하여 하나의 연료전지를 형성함으로써 셀(100) 면적의 감소에 따라 감소되는 출력을 보상할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 출력 감소 없이 연료전지의 열 구배를 감소시킬 수 있고, 궁극적으로는, 고체산화물 연료전지(SOFC) 내구성 저감에 크게 기여할 수 있다.In the present invention, in order to overcome this disadvantage, at least four or more stacks 10 are connected together to form one fuel cell, thereby compensating for the reduced output according to the reduction in the area of the cell 100 . Therefore, according to the present invention, it is possible to reduce the thermal gradient of the fuel cell without reducing the output, and ultimately, it can greatly contribute to the reduction of the durability of the solid oxide fuel cell (SOFC).

또한, 본 발명의 소면적의 셀(100)을 포함하는 스택(10)은 스택(10) 제작 시 실링, 가압이 용이하고, 열 구배 및 가스농도 구배를 저감시킬 수 있다. 또한, 셀 개수 증대에 따른 출력 전압을 상승시킬 수 있다. 셀 당 약 1V가 출력되며, 직렬연결에 의해 셀의 개수에 비례하여 출력전압이 증가된다. 또한, 출력 전압 상승은 저전류 사용으로 시스템 부피를 줄일 수 있고, 대용량 발전 시 고전압으로 전력변환이 용이하며 전력 손실이 적은 이점이 있다. In addition, the stack 10 including the small-area cell 100 of the present invention can be easily sealed and pressurized when the stack 10 is manufactured, and a thermal gradient and a gas concentration gradient can be reduced. In addition, it is possible to increase the output voltage according to the increase in the number of cells. About 1V is output per cell, and the output voltage is increased in proportion to the number of cells by series connection. In addition, the increase of the output voltage can reduce the volume of the system by using a low current, it is easy to convert the power to a high voltage in the case of large-capacity power generation, and there is an advantage that the power loss is small.

본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 구조는 적어도 네 개의 연료전지 스택(10)을 포함한다. 각 연료전지 스택(10)의 구분을 위하여 도면에서 각 연료전지 스택(10)을 제1 연료전지 스택(10a), 제2 연료전지 스택(10b), 제3 연료전지 스택(10c) 및 제4 연료전지 스택(10d)으로 하였다. According to an embodiment of the present invention, the fuel cell structure includes at least four fuel cell stacks 10 . In order to classify each fuel cell stack 10, each fuel cell stack 10 is shown in the drawing as a first fuel cell stack 10a, a second fuel cell stack 10b, a third fuel cell stack 10c, and a fourth It was set as the fuel cell stack 10d.

각 연료전지 스택(10a, 10b, 10c, 10d)은 적층된 복수의 셀(100)을 포함하고, 적어도 두 개의 연료전지 스택과 이웃하도록 배열된다. 네 개의 연료전지 스택(10a, 10b, 10c, 10d)이 포함되는 경우, 각 연료전지 스택(10a, 10b, 10c, 10d)의 두 면은 각각 이웃하는 두 개의 연료전지 스택의 면과 마주보도록 구성된다. 각 연료전지 스택(10a, 10b, 10c, 10d)은 네 개의 옆면을 포함하는 바, 연료전지 구조 내 포함되는 스택 개수의 증가에 따라 최대 네 개의 연료전지 스택의 면과 마주보도록 배치될 수 있다. Each of the fuel cell stacks 10a, 10b, 10c, and 10d includes a plurality of stacked cells 100 and is arranged to be adjacent to at least two fuel cell stacks. When four fuel cell stacks 10a, 10b, 10c, and 10d are included, two surfaces of each fuel cell stack 10a, 10b, 10c, and 10d are configured to face the surfaces of two adjacent fuel cell stacks, respectively. do. Each of the fuel cell stacks 10a, 10b, 10c, and 10d includes four side surfaces, and may be disposed to face up to four fuel cell stacks as the number of stacks included in the fuel cell structure increases.

본 발명에 따른 연료전지 구조는 직육면체 또는 정육면체의 외형을 갖도록 구성된다. 각 연료전지에 포함되는 스택의 개수(N)는 N1 x N2의 행렬과 같이 정의될 수 있다. N1은 행으로 배치되는 스택의 개수이고, N2는 열로 배치되는 스택의 개수이다. N1과 N2는 자연수이고, 서로 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. 바람직하게는, N1과 N2는 동일한 숫자이다. The fuel cell structure according to the present invention is configured to have an external shape of a cuboid or a cube. The number (N) of stacks included in each fuel cell may be defined as a matrix of N 1 x N 2 . N 1 is the number of stacks arranged in rows, and N 2 is the number of stacks arranged in columns. N 1 and N 2 are natural numbers, and may be the same as or different from each other. Preferably, N 1 and N 2 are the same number.

각 연료전지 스택(10a, 10b, 10c, 10d) 사이에는 일정한 간극(20)이 마련된다. 간극(20)에는 각 연료전지 스택(10a, 10b, 10c, 10d)으로 연료를 공급하는 연료통로(40)가 배치된다. 또한, 간극(20)에는 각 연료전지 스택(10a, 10b, 10c, 10d)으로 공기를 공급하는 공기통로(60)가 마련된다. 본 발명에 의하면, 복수의 연료전지 스택(10a, 10b, 10c, 10d)을 연결하여 채널화함으로써 간극(20)을 통해 공기 및 연료 가스 공급이 연료전지의 중앙으로부터 이루어지도록 할 수 있다. A predetermined gap 20 is provided between each of the fuel cell stacks 10a, 10b, 10c, and 10d. A fuel passage 40 for supplying fuel to each of the fuel cell stacks 10a, 10b, 10c, and 10d is disposed in the gap 20 . In addition, an air passage 60 for supplying air to each of the fuel cell stacks 10a, 10b, 10c, and 10d is provided in the gap 20 . According to the present invention, air and fuel gas can be supplied from the center of the fuel cell through the gap 20 by connecting and channeling the plurality of fuel cell stacks 10a, 10b, 10c, and 10d.

연결요소(22)는 간극(20)과 복수의 연료전지 스택(10)을 연결한다. 즉, 연결요소(22)는 연료전지 스택(10)간 간극(20)을 형성하여 간격을 유지하면서 간극(20)을 외부로부터 보호하도록 구성된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 간극(20)은 연결요소(22)에 의해 덮히도록 구성되고, 연결요소(22) 내의 간극(20)에 연료통로(40) 및 공기통로(60)가 형성된다. The connecting element 22 connects the gap 20 and the plurality of fuel cell stacks 10 . That is, the connection element 22 is configured to form a gap 20 between the fuel cell stacks 10 to protect the gap 20 from the outside while maintaining the gap. According to an embodiment of the present invention, the gap 20 is configured to be covered by the connecting element 22 , and the fuel passage 40 and the air passage 60 are formed in the gap 20 in the connecting element 22 . .

도 8에는 셀과 스택 내 일반적인 온도 분포가 등고선 형태로 도식적으로 표현되어 있다. 도 8에 나타난 바와 같이, 고체산화물 연료전지(SOFC) 구동 시 일반적으로 단일 셀 및 단일 스택에서 중앙 위치의 온도가 가장 높다. 따라서 셀 중앙 부위의 온도를 저감하는 것이 열 구배를 저감하는데 중요한 역할을 한다. In FIG. 8, a general temperature distribution in a cell and a stack is schematically expressed in the form of a contour line. As shown in FIG. 8 , when a solid oxide fuel cell (SOFC) is driven, the temperature at the center is generally the highest in a single cell and a single stack. Therefore, reducing the temperature at the center of the cell plays an important role in reducing the thermal gradient.

또한, 일반적으로 연료가스(H2, HxCy)와 공기는 스택 작동온도 보다 200 내지 300℃ 낮은 온도로 예열 (pre-heating)한 후 주입된다. 이는 연료가스의 온도가 스택 작동온도보다 낮다는 것을 의미하며, 연료가스를 연료전지의 중앙으로 주입할 수 있다면 열 구배 저감에 효과적일 수 있다. In addition, in general, fuel gas (H 2 , H x C y ) and air are injected after pre-heating to a temperature 200 to 300° C. lower than the stack operating temperature. This means that the temperature of the fuel gas is lower than the stack operating temperature, and if the fuel gas can be injected into the center of the fuel cell, it may be effective to reduce the thermal gradient.

따라서, 본 발명은 간극(20) 내에서 각 연료전지 스택(10a, 10b, 10c, 10d)으로 공기 및 연료를 각각 공급하는 연료통로(40) 및 공기통로(60)를 형성함으로써, 열 구배 저감 및 가스 농도의 분포를 향상시킬 수 있다. Accordingly, in the present invention, by forming a fuel passage 40 and an air passage 60 for supplying air and fuel to each fuel cell stack 10a, 10b, 10c, and 10d in the gap 20, respectively, the thermal gradient is reduced. and distribution of gas concentrations.

도 9를 참조하여 기존 단일 스택 구조(도 9의 (a))의 예상 열 구배를 살펴보기로 한다. 각 셀 내 유로를 따라 흐르는 연료 및 공기의 흐름 방향에 따라 대향류(counter flow), 직교류(cross flow) 및 병행류(co flow)로 구분될 수 있다. 대향류에서는 연료가스와 공기가 반대방향으로 흐르고, 직교류에서는 연료가스와 공기가 서로 교차하여 흐르며, 병행류에서는 연료가스와 공기가 같은 방향으로 주입된다. 도면에는 각 유동별 예상 열 구배가 도시되어 있다. 도면부호 30은 연료가스 또는 공기의 주입부를 가리킨다. An expected thermal gradient of an existing single stack structure (FIG. 9(a)) will be described with reference to FIG. 9 . According to the flow direction of fuel and air flowing along the flow path within each cell, it may be classified into a counter flow, a cross flow, and a co flow. In counter flow, fuel gas and air flow in opposite directions, in cross flow, fuel gas and air cross each other, and in parallel flow, fuel gas and air are injected in the same direction. The figure shows the expected thermal gradient for each flow. Reference numeral 30 denotes a fuel gas or air injection unit.

도 9의 (b)를 참조하면, 대향류의 경우 연료와 공기가 주입되는 외측 부분의 온도가 가장 낮고 중심부의 온도가 가장 높다. 이는 주입되는 가스의 온도가 작동온도보다 낮기 때문이며, 단열 측면에서도 열 구배가 존재할 수 있다. 도 9의 (c) 및 (d)를 참조하면, 직교류 및 병행류에서는 가스의 주입부(30)에서 먼 위치일 수록 온도가 높다. 어떤 유동방식이던 온도 구배 즉, 열 구배가 클 수밖에 없는 구조이다. Referring to FIG. 9B , in the case of counterflow, the temperature of the outer portion into which fuel and air are injected is the lowest and the temperature of the center portion is the highest. This is because the temperature of the injected gas is lower than the operating temperature, and there may be a thermal gradient in terms of insulation. Referring to FIGS. 9C and 9D , in a cross flow and a parallel flow, the farther the gas is from the injection unit 30, the higher the temperature. It is a structure in which the temperature gradient, that is, the thermal gradient, is inevitably large in any flow method.

이에 반하여 도 10에는 본 발명에 따른 연료전지 구조 내 형성되는 열 구배를 모식적으로 도시한다. 도 10의 (a)와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 구조는 대략 한 변(d)의 길이가 10cm 이내인 정사각형의 평판형 셀로 제작된 복수의 스택을 포함한다. 도 10에는 예시적으로 5cm의 길이를 가지는 셀이 도시되어 있다. 본 발명에 의하면, 간극(20) 내 연료통로(40) 및 공기통로(60)의 개수와 위치를 변화시켜 대향류, 직교류 및 병행류를 구현할 수 있다. 도 10의 (b) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의하면, 각 유동에서 기존 단일 스택 구조에 비하여 열 구배가 크게 감소되는 것을 확인할 수 있다. In contrast, FIG. 10 schematically shows a thermal gradient formed in the fuel cell structure according to the present invention. As shown in (a) of FIG. 10 , the fuel cell structure according to the present invention includes a plurality of stacks made of square flat cells having a length of approximately one side (d) of less than 10 cm. 10 exemplarily shows a cell having a length of 5 cm. According to the present invention, counter flow, cross flow, and parallel flow can be implemented by changing the number and position of the fuel passage 40 and the air passage 60 in the gap 20 . As shown in (b) to (d) of FIG. 10 , according to the present invention, it can be confirmed that the thermal gradient is greatly reduced in each flow compared to the conventional single stack structure.

본 발명에 따르면, 연료전지 스택 내 주입되는 연료가스 및 공기의 경로를 전지 중앙에 마련되는 간극에 형성함으로써 셀과 스택 내 열 구배를 감소시킬 수 있고, 이로 인하여 내구성을 향상시킬 수 있다. According to the present invention, by forming a path for fuel gas and air injected into the fuel cell stack in a gap provided in the center of the cell, a thermal gradient between the cell and the stack can be reduced, thereby improving durability.

또한, 본 발명에 따르면, 소면적의 셀로도 대면적 셀의 출력에 대응하는 연료전지를 구현할 수 있다.In addition, according to the present invention, a fuel cell corresponding to the output of a large-area cell can be implemented even with a small-area cell.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.The present invention described above is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is common in the technical field to which the present invention pertains that various substitutions, modifications and changes are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those who have the knowledge of

10, 10a, 10b, 10c, 10d: 연료전지 스택
20: 간극 22: 연결요소
40: 연료통로 60: 공기통로
100: 셀 120: 음극
140: 양극 160: 고체전해질
180: 지지체 10, 10a, 10b, 10c, 10d: fuel cell stack
20: gap 22: connecting element
40: fuel passage 60: air passage
100: cell 120: negative electrode
140: positive electrode 160: solid electrolyte
180: support

Claims (8)

서로 다른 적어도 두 개의 연료전지 스택과 이웃하도록 배열되는 적어도 네 개의 연료전지 스택;
상기 네 개의 연료전지 스택 사이에 형성되는 간극;
상기 간극 내에 배치되고, 각 연료전지 스택으로 연료가 유동하도록 구성되는 연료통로; 및
상기 간극 내에 배치되고, 각 연료전지 스택으로 공기가 유동하도록 구성되는 공기통로;
를 포함하는 것인 연료전지 구조. at least four fuel cell stacks arranged to be adjacent to at least two different fuel cell stacks;
a gap formed between the four fuel cell stacks;
a fuel passage disposed in the gap and configured to flow fuel to each fuel cell stack; and
an air passage disposed in the gap and configured to flow air to each fuel cell stack;
A fuel cell structure comprising a. 청구항 1에 있어서, 각 연료전지 스택은 적층되는 복수의 평판형 셀을 포함하고, 상기 셀의 한 변의 길이는 0 초과 내지 10cm 이내인 것인 연료전지 구조. The fuel cell structure of claim 1 , wherein each fuel cell stack includes a plurality of stacked planar cells, and the length of one side of the cell is greater than 0 to within 10 cm. 청구항 2에 있어서, 상기 셀의 한 변의 길이는 5cm인 것인 연료전지 구조. The fuel cell structure according to claim 2, wherein a length of one side of the cell is 5 cm. 청구항 1에 있어서, 상기 스택으로의 공기 및 연료의 유동은 대향류, 직교류 및 병행류 중 어느 하나로 구성되는 것인 연료전지 구조. The fuel cell structure of claim 1 , wherein the flow of air and fuel to the stack consists of any one of counter flow, cross flow, and parallel flow. 청구항 4에 있어서, 상기 연료통로 및 공기통로의 개수 및 간극 내 위치를 변화시켜 상기 대향류, 직교류 및 병행류 중 어느 하나가 구성되는 것인 연료전지 구조. The fuel cell structure according to claim 4, wherein the counter flow, cross flow, and parallel flow are configured by changing the number of fuel passages and air passages and positions within the gaps. 청구항 1에 있어서, 상기 간극과 상기 연료전지 스택을 연결하는 연결요소를 더 포함하는 것인 연료전지 구조. The fuel cell structure according to claim 1, further comprising a connection element connecting the gap and the fuel cell stack. 복수의 연료전지 스택;-가로방향으로 N1개 및 세로방향으로 N2개의 연료전지 스택이 배열되고 여기에서 N1 및 N2는 서로 같거나 다른 자연수임;
각 연료전지 스택 사이에 마련되고 서로 연통하도록 구성되는 간극; 및
상기 간극에 형성되고, 각 연료전지 스택으로 연료 및 공기를 각각 공급하도록 구성되는 연료통로 및 공기통로;
를 포함하는 것인 연료전지 구조. a plurality of fuel cell stacks; - N1 fuel cell stacks arranged in a horizontal direction and N2 fuel cell stacks in a vertical direction, wherein N1 and N2 are natural numbers equal to or different from each other;
a gap provided between each fuel cell stack and configured to communicate with each other; and
a fuel passage and an air passage formed in the gap and configured to respectively supply fuel and air to each fuel cell stack;
A fuel cell structure comprising a. 청구항 7에 있어서, 상기 복수의 연료전지 스택 및 간극을 연결하도록 상기 간극에 배치되는 연결요소;
를 더 포함하는 것인 연료전지 구조. The apparatus of claim 7 , further comprising: a connecting element disposed in the gap to connect the plurality of fuel cell stacks and the gap;
The fuel cell structure further comprising a.
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