WO2010123219A2 - 평관형 구조체를 이용한 고체산화물 연료전지용 스택 - Google Patents

평관형 구조체를 이용한 고체산화물 연료전지용 스택 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a stack for a solid oxide fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a stack for a solid oxide fuel cell and a method for manufacturing the same, capable of producing electricity in a series-parallel structure.
  • Solid oxide fuel cells which may be referred to as third generation fuel cells, have used zirconium oxide in which yttria is added as an electrolyte and stabilized in crystal structure.
  • This material has the conductivity of oxygen ions, but it is characterized by obtaining the desired conductivity as a fuel cell in the high temperature range of 800 to 1000 ° C.
  • the electrode material also is this high temperature the material of the electroconductive used anode, the mixture Ni-ZrO 2 is an air electrode which air is introduced is LaSrMnO 3, hydrogen is introduced as an example to withstand such Usually used.
  • the remaining electrode or electrolyte is thinly coated and bonded to the anode or the electrolyte support to finally form a unit electrolyte-electrode assembly (hereinafter referred to as an 'EEA' business card).
  • an 'EEA' business card When stacked on top of each other, electrically connect the cathode and the anode of the upper and lower unit cells, and connect the unit cell by inserting a conductive metal material interconnector formed on both sides of gas channels for introducing fuel and air to each electrode. Will be constructed.
  • the thickness of the 'EEA' layer has the advantage of being thin, but it is difficult to control the uniformity or flatness of the thickness due to the characteristics of the ceramic, and it is not easy to enlarge the size.
  • gas seals are used at the edge of the cell to seal the incoming gas.
  • the softening temperature of glass-based materials used as sealing materials starts from about 600 °C, but solid oxide fuel cells are usually operated at a high temperature of 800 °C or higher in order to obtain the desired efficiency. There are still many technical hurdles to practical use.
  • monolith type unit cells are introduced in which the two kinds of gas channels are formed on the support for the unit cell itself or when the supports are stacked to omit the gas channel function of the electrical connecting material. It is becoming.
  • a typical example is a stack made of unit cells fabricated in the monolith form of a flat tube split type (US Pat. No. 5,486,428) in which the cells are electrically connected in series by splitting the cells in the longitudinal direction.
  • these cells in order to form an air flow path, these cells must additionally use a ceramic plate for the air channel, and there are disadvantages in that the stack size is not easy due to the complicated structure of the electrothermal bonding and gas introduction portion.
  • the problem to be solved in the present invention is that the conventional solid oxide fuel cell is difficult to large area of the cell due to the structure bending in the manufacturing of the unit cells, thermal mechanical inconsistency problem due to the lamination of the double structure of the unit cell and the electrical connection material It is to provide a new stack and its manufacturing method that can solve the manufacturing and management problems that the unit cells are electrically connected only in series so that all the unit cells in the stack must be fully manufactured and operated.
  • Another problem to be solved by the present invention is to provide a new unit cell module and a method of manufacturing the same that can solve the above problems.
  • Another object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell stack having a high output unitary structure without the above problems and a method of manufacturing the same.
  • the stack for a solid oxide fuel cell according to the present invention is one or more unit cells are formed on the outer surface of the flat tubular support, the first surface connected to the first electrode on at least a portion of the front surface and the outer surface An electrical connection member is formed, and the unit cell modules having the second electrical connection member connected to the second electrode are formed on at least a portion of the rear surface and the outer surface thereof so as to be electrically connected in parallel with each other to manufacture unit stack modules electrically connected in parallel. And serially connecting the front and rear surfaces of the stack module to manufacture an integrated stack for a series-parallel mixed solid oxide fuel cell.
  • the flat tubular support uses a porous structure in the form of a flat tube having a plurality of first gas flow channels (hereinafter, referred to as 'first gas channels') in a longitudinal direction therein, A second gas flow channel (hereinafter, referred to as a 'second gas channel') is formed on the outer surface.
  • first gas flow channels hereinafter, referred to as 'first gas channels'
  • second gas flow channel hereinafter, referred to as a 'second gas channel'
  • the second gas channel forms a second gas channel between the center portion of the outer surface, that is, a portion except the edges on both sides of the outer surface to a predetermined depth and is stacked between the flat tubular structures.
  • the electrodes of the fuel cell are formed on the surface of the second gas channel, preferably on the upper and lower surfaces of the central portion of the support and are formed on both sides of the front and rear cross-sections and the outer surface of the support. Is connected to.
  • the surface of the second gas channel formed in the central portion of the outer surface of the support has a first gas electrode layer (hereinafter referred to as “first electrode layer”), an electrolyte layer and a second gas electrode layer (hereinafter referred to as “second electrode layer”)
  • first electrode layer first gas electrode layer
  • second electrode layer second gas electrode layer
  • EAA Electrolyte-Electrode Assembly
  • the first electrode layer, the electrolyte layer, and the second electrode layer are coated on the second gas channel, and the first electrode layer and the second electrode layer are respectively coated.
  • the cover may be coated to be connected to the electrical connector, and the electrical connector may be coated to include the front surface of the outer surface, including the front and rear cross-sections of both ends, except for the second gas channel part.
  • the opposite poles between the unit cells are repeatedly connected to each other with an electrical connection material, and finally the first electrode layer and the second electrode layer are exposed at opposite ends thereof, and the electrical connection material is connected.
  • the electrical connection member may be coated to include the front surface of the outer surface, including the front and rear cross-sections of both ends, except for the second gas channel portion.
  • a reaction part (EEA, Electrolyte-Electrode-Assembly) consisting of a first gas electrode layer, an electrolyte layer, and a second gas electrode layer is formed in a longitudinal direction. It is formed repeatedly at regular intervals along the connection between the reaction unit between the first electrode layer and the second electrode layer with an electrical connector layer, the second electrode of the reaction unit formed on the other end of the first electrode layer and the other end formed on one end of the second gas channel
  • the electrode layer may be configured to connect to the electrical connecting members formed on both front and rear cross-sections of the support and on both sides of the outer surface, respectively.
  • the present invention in manufacturing a stack using the unit cell module formed of a single or plural unit cells, first stack the cell modules in the vertical direction in the vertical direction in the cross-sectional direction, but the same pole contact on the cell module To produce a unit stack module in which all the modules are electrically connected in parallel to have a large reaction area, and the stack modules are repeatedly stacked in series with the opposite poles electrically connected to each other in the length (Z) direction. do. After the final sintering process, the cell modules are integrally bonded to each other so that the structurally robust and high power density cell modules in the stacked stack are electrically mixed in parallel and in series to increase the reliability in manufacturing and operation.
  • the gas is introduced in the first gas into the inner channel of the stack and the second gas flows into the stack between the flat cell modules stacked at 90 degrees and there is no gas sealing or mixing problem.
  • a fuel cell stack including: a support having a flat inner tube formed as a first gas channel, and a groove formed at a central portion of the flat outer surface as a second gas channel; A cell module having at least one unit cell including a first electrode layer, an electrolyte layer, and a second electrode layer formed on the second gas channel; A first electrical connection member which is coated on the entire end surface and a part of the outer surface of the support and connected to one end of the first electrode layer on the cell module; And unit cell modules including a second electrical connection member coated on a rear end surface and a portion of an outer surface of the support and connected to a second electrode layer at the other end of the cell module.
  • the unit cell modules are stacked in up, down, left and right, the same poles are connected to each other through the electrical connection member formed on both sides of the outer surface to form a unit stack module electrically connected in parallel, and through the electrical connection member formed on the front and rear surfaces As the different poles are connected, they are electrically connected in series, resulting in an integrated stack for a fuel cell of a series-parallel mixing method.
  • a unit cell module constituting a stack for a fuel cell has an inner channel formed as a first gas channel, and a groove formed in a central portion of the outer surface of the unit cell module is formed in a flat tubular support formed with a second gas channel. At least one unit cell is formed in the first electrical connection member is connected to the unit cell is coated on one side of the front end and the outer surface of the support; And a second electrical connection member coated on one side of the rear surface and the outer surface of the support and connected to the unit cell.
  • the integrated stack for a solid oxide fuel cell stacks cell modules formed by digging an outer central portion of a flat tubular structure to a predetermined depth and covering at least one electrode / electrolyte / electric connector layer on the surface thereof in a vertical direction.
  • a stack module having an increased current generation area by the method and stacking the stack modules in the longitudinal direction again, the final three-dimensional stacked stack to increase the voltage is completed, the stack thus manufactured is a cell
  • the modules are integrally adhesively integrated within the stack, which is structurally robust, high power density, and electrically connected in parallel and in series, thus increasing the technical reliability of the stack in manufacturing or operation.
  • Inflow and outflow are made to the channels inside the flat pipe structure in the longitudinal direction, and the second gas is Designed and manufactured a new, more technologically advanced type of stack with external channels between the stacked flat tubes, which flows in and out at an angle of 90 degrees to the length of the stack, making gas sealing easier and free from mixing of different gases. And a method of driving.
  • FIG. 1 is a three-dimensional view showing a support for manufacturing a cell module made by digging a central portion of the outer surface of the flat tubular structure having an inner channel according to the present invention to a predetermined depth.
  • Figure 2 is a longitudinal cutaway view of forming a unit cell in the center of the excavated support of the cell module manufacturing support according to the present invention.
  • Figure 3 is a cutaway view formed in the longitudinal direction a plurality of cells in the central portion dug out of the support for producing a cell module according to the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a method of coating an electrode layer, an electrolyte layer and an electrical connector layer to stack the cells of FIG. 3 according to the present invention
  • FIG. 5 is a three-dimensional view showing a unit stack module electrically connected in parallel by repeatedly stacking cell modules for solid oxide fuel cells according to the present invention.
  • FIG. 6 is a three-dimensional view showing an integrated stack in which unit stack modules for a solid oxide fuel cell according to the present invention are stacked in a longitudinal direction.
  • FIG. 7 is a cutaway view showing a portion for cutting the stack for the solid oxide fuel cell and the gas inlet, outflow and electrical connection according to the invention in the stack length direction.
  • FIG. 8 is a longitudinal cutaway view in which a stack module for electrical connection is further stacked on both ends of the stack of the solid oxide fuel cell stack of FIG. 7 according to the present invention and equipped with a reaction chamber and a gas inlet and outlet chamber.
  • FIG. 8 is a longitudinal cutaway view in which a stack module for electrical connection is further stacked on both ends of the stack of the solid oxide fuel cell stack of FIG. 7 according to the present invention and equipped with a reaction chamber and a gas inlet and outlet chamber.
  • FIG. 9 is a longitudinal cross-sectional view of a flat tubular structure showing a manufacturing method of a unit cell module for manufacturing the stack module for electrical connection of Figure 8 by stacking the unit cell module made of a flat tubular structure according to the present invention.
  • FIG. 10 is a cross sectional view showing a method of making a stack system larger by placing 24 stacks according to the present invention in a reaction chamber, and a cross section of a length middle section;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a stack end cross-sectional view showing a method of increasing a stack system by placing 24 stacks according to the present invention in a reaction chamber;
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a stack end cross-sectional view of a method of stacking 24 stacks according to the present invention in a reaction chamber to enlarge a stack system.
  • the flat tubular structure used to manufacture the stack for the solid oxide fuel cell used in the present invention may use a conventional material that is stable at high temperatures through which gas can pass.
  • the shape is a flat rectangular parallelepiped, and there are a plurality of first gas flow channels 1 in a length direction therein, and both ends 4 and 5 in the length direction of the structure.
  • the excavated central portion 6 forms a second gas channel 7 between the supports when the supports 101 are stacked in the vertical, vertical, left and right directions instead of the longitudinal direction, and is formed of an electrode and an electrolyte formed on the surface of the central portion. It prevents electrical shortage caused by unnecessary electrical contact of cells.
  • Fabrication of the unit cell module 102 for a solid oxide fuel cell using the support 101 is performed by sintering the electrode, electrolyte, and electrical connector layers on the surface of the central portion of the support on the support in the longitudinal direction as appropriate, and then sintering the film.
  • one unit cell may be manufactured, and as shown in FIG. 3, a plurality of unit cells may be manufactured.
  • the first electrode layer 71, the electrolyte layer 12, and the second electrode layer 72 are sequentially coated on the center portion to form one unit cell, and the first electrode layer 71 is formed on the center portion.
  • the outer surface is covered to one side
  • the second electrode layer 72 is covered to the other side of the outer surface in addition to the central portion
  • the electrical connector layers 73 and 74 are coated thereon.
  • the plurality of unit cells are formed by coating a thin film in the order of the first electrode layer 11, the electrolyte layer 12, and the second electrode layer 13 in the longitudinal direction, respectively.
  • the opposite poles are connected by an electrical connector to be stacked, and the first electrode layer 71 and the second electrode layer 72 exposed at both ends of the stacked cells are connected to the electrical connector layers 73 and 74, respectively.
  • an electrolyte layer 12 is interposed between the first gas electrode layer 11 in the first coating layer A formed on the surface of the center portion of the support to prevent electrical contact, and an electrolyte in the second coating layer B coated thereon.
  • An electrical connector layer 19 is interposed between the layers 12 to facilitate electrical connection between the lower A and upper C layers of the opposite electrode. In order to prevent the first gas from leaking between the gaps of the top layer, it is important to cover the contact areas between the dissimilar materials of the upper layer B so that they do not coincide with the contact areas of the dissimilar materials of the lower layer A.
  • the electrolyte layer 12 is interposed between the second gas electrode layer 13 in the layer C to be coated, and the contact portion 16 between the dissimilar materials is disposed at an intermediate point of the electrical connection layer 19 of the lower B layer.
  • a unit cell module in which a plurality of unit cells are stacked in series by a method of preventing electrical leakage and leaking of the second gas into the lower B layer between the gap between the electrolyte of the C layer and the contact portion 16 of the second electrode layer. (102)
  • a method of coating a production electrode, an electrolyte, and an electrical connection member is provided.
  • the cell modules are repeatedly stacked in the up, down, left, and right (XY) directions as shown in FIG. 5.
  • the unit stack module 105 is manufactured, and the same poles of the cell module 102 terminal electrical connecting members 4 and 5 are laminated so as to be electrically connected in parallel between the cell modules 102 so that the reaction area in the stack is faced. Then, the stack module 105 may be stacked so as to be connected to opposite poles of the terminal electrical connectors 4 and 5 in the length (Z) direction so as to be electrically connected in series between the stack modules, and thus to increase the voltage of the stack module.
  • the stack 106 is finally completed three-dimensionally stacked by a method of increasing.
  • the stacked stack is mechanically pressurized and subjected to a final sintering process, where all cell modules are electrically connected and mechanically bonded through an electrical connector layer to form a monolithic monolithic structure.
  • FIG. 7 a stereoscopic view of a stack 106 three-dimensionally stacked in FIG. 6 is shown.
  • a stack in which n unit stack modules 105 are stacked in series and a gas and electricity supplied to the stack are extracted.
  • the auxiliary device is fastened, the cross section which cut
  • the fabricated integrated stack 106 is mounted in a rectangular parallelepiped housing 32 having an insulator 31 applied therein and opened at both ends, and mounted with pads 33 at both ends of the stack. 1 to engage the housing 32 with the first gas inlet and outlet chambers 38, including the channel pipe 36 and the electrical current collector plate 37, for supplying or discharging the gas to the channels inside the flat pipe support in the stack. do.
  • the generated electricity is extracted between the two current collector plates 37 or between the chambers 38 connected to the current collector plates, and an insulating gasket between the chamber and the housing to prevent the current flow between the two chambers. 39) Insert and tighten.
  • the supply of the first gas in the stack is distributed into the inner channels 41 of the flat tube module connected in parallel on the unit bundle in the stack by supplying it into the left chamber 38 in the drawing along the lengthwise direction of the flat tube. Is discharged through the final channel outlets 42.
  • the second gas is supplied at an angle of 90 degrees to the stack length direction through a second gas supply and discharge chamber attached to the housing 32 right and left (front and rear directions in the drawing) along a direction perpendicular to the length direction of the flat pipe. It is introduced and discharged through the outer channel 43 formed between the stacked flat tube cell modules.
  • mechanically stable flat tubular structures are three-dimensionally adhered and stacked in a monolithic form, which is more structurally stable than other stack models.
  • the second gas can be introduced at an angle of 90 degrees to the long longitudinal direction, and if necessary, the second gas supply chamber can be distributed in the longitudinal direction and flowed at different flow rates to level the longitudinal temperature gradient.
  • the stack of the present invention also more preferably provides a safer seal at the stack end of the incoming first gas and essentially blocks the problem of incorporation on the reaction chamber interface in the stack between the two gases, as shown in FIG. It can also be manufactured by adding a stack module for the electrical collector at the end of the stack.
  • the electric current collector end stack module used in FIG. 8 has an electrolyte layer 12 and an electrical connector layer 75 on the outer surface of the original flat tube structure 100 that does not generate an external channel for the second gas flow as shown in FIG. 9.
  • the first gas introduction part or the outlet part may be located outside the high temperature reaction chamber part 51. It is easy to seal by fastening the seal, and the interface inside the stack of the first gas introduction 52 and the discharge chamber 53 and the second gas introduction and discharge chamber 51 (existing in the front and back on the drawing). Separation of the bed is easy, and the mixing of the two gases can be completely prevented.
  • the first gas chambers 52 and 53 may be separated from each other to install the current collectors 54 and 55 and draw out electricity, thereby enabling stack-to-stack stacking to be devised in the following.
  • the stack of the present invention can be large-scaled by three-dimensional stacking and can be leveled by controlling the longitudinal temperature gradient by appropriately distributing the amount of the second gas introduced at right angles to the longitudinal direction of the stack. It offers the advantage of being able.
  • the volume may increase in the cross-sectional direction of the final stack, thereby increasing the temperature at the center of the stack section due to heat accumulation. have. Therefore, it is preferable to reduce the size of the cross-sectional area, but in this case, the number of parallel cells is reduced, so that the reaction area is smaller.
  • the stacks produced by keeping the cross-sectional area as small as possible are also repeatedly stacked at regular intervals in a reaction chamber into which the second gas is introduced.
  • the combination of electrical parallel, series, or a combination of parallel and series unit stacks can provide a new and more advanced way to build larger stack systems for solid oxide fuel cells.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a cross section of a longitudinal middle portion of a stack system in which a total of 24 stacks 105 are stacked at regular intervals vertically and horizontally in a reaction chamber.
  • the stacks are mounted in a rectangular housing 81 and inserted into the housing.
  • the introduced second gas passes through an external channel existing between the flat tube modules stacked in each stack. To this end, the space on the stacks stacked up and down must be prevented from passing unreacted between the second gas between the stacks 105 by filling with an insulator gas seal 82.
  • the second gas is introduced into the inlet chamber 83 to which the inlet pipe 82 is attached, and then between the cell modules 102 having flat pipe supports stacked in the respective stacks through the gas distribution grid 84. Passing through the external channels (7) present in the. The gas passed through the stack is finally discharged by passing through the outflow chamber 85 to the discharge pipe 86.
  • FIG. 11 shows an end cross section of the stack in the chamber part through which the first gas is introduced
  • FIG. 12 shows an end cross section of the stack in the chamber part through which the first gas is discharged.
  • the stack 11 is dispersed and introduced into the inner channels 1 on the numerous flat tube cell modules 102 stacked up, down, left and right, and finally passes in the longitudinal direction. It is discharged through the first gas discharge chamber in the stack end portion of 12.
  • four stacks (ad, eh, hk, lo, ps, or tw) are stacked and electrically tied in the same electrode direction to form a parallel connected stack group, and then the four stack groups are The cathodes 91 and 92 are alternately stacked in polar directions to show that the stack groups are electrically connected in series.
  • the stack groups a-d connected in parallel become negative terminals in FIG.
  • the electric load is drawn between the cathode end of the stack group ad and the anode end of the stack group ux to draw electricity.
  • a total of 24 stacks are connected in parallel to increase the current generating area and are connected in parallel.
  • the stack group can be powered up with six series connections.
  • the fuel cell system designed in the present invention can manufacture a unitary stack in which a unit cell module is made using a flat tubular support and stacked three-dimensionally, and an electrically parallel and series complex stack is also provided. It is possible to manufacture a stack system of parallel, series, or a combination of parallel and series by stacking a large number in parallel in the reaction chamber, thereby obtaining current and voltage as desired.
  • a first gas electrode layer repeatedly coated on an outer channel of a support for a solid oxide fuel cell.
  • Second gas electrode layer repeatedly coated on outer channel of support for solid oxide fuel cell

Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지용 스택 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직병렬 구조로 전기를 생산할 수 있는 고체 산화물 연료전지용 스택 및 그 제작 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 스택은 평관형 지지체의 전단면 및 외부면 일측에 제1전극과 연결된 제1전기연결재가 형성되고, 후단면 및 외부면 일측에 제2전극과 연결된 제2전기연결재가 형성된 단위 셀모듈을 제조하고, 상기 셀모듈의 외측면의 같은 극 끼리 연접되도록 적층하여 전기적으로 병렬연결된 단위 스택모듈을 제조하고, 상기 스택모듈의 전후면을 직렬 연결하여 직병렬 혼합식 고체산화물 연료전지용 일체형 (monolithic) 스택을 제조하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 스택은 고체산화물 연료전지용 스택의 제작 방법에 있어서 가장 약점으로 지적되는 단위 셀들의 대면적화의 어려움, 직렬연결에만 의존한 스택 성능의 단위셀에 의한 직접적인 의존성, 적층에 의한 대형 스택의 제작의 어려움 등을 해결할 수 있다.

Description

평관형 구조체를 이용한 고체산화물 연료전지용 스택
본 발명은 고체산화물 연료전지용 스택 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직병렬 구조로 전기를 생산할 수 있는 새로운 고체 산화물 연료전지용 스택 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
제 3세대 연료전지라 할 수 있는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC 라 함)는 전해질로서 이트리아(yttria)를 첨가하고 결정 구조를 안정화시킨 산화 지르코니늄을 사용해 왔다. 이 재료는 산소이온의 전도성을 가지고 있지만 800~1000℃의 고온의 범위에서 연료전지로서의 원하는 전도성을 얻을 수 있는 특징이 있다. 이 때문에 SOFC의 운전 온도는 통상 800℃ 이상이며, 전극재료도 이와 같은 고온에 견디는 도전성의 물질이 사용되며　예로서 공기가 유입되는 공기극은 LaSrMnO3, 수소가 유입되는 연료극에는 Ni-ZrO2 혼합물이 통상 사용된다.
종래의 평판형 (planer type) SOFC에 있어서는 연료극 또는 전해질 지지체에 나머지 전극 또는 전해질을 얇게 피복 접합하여 최종적으로 단위 전해질-전극 조합판 (Electrolyte-Electrode Assembly, 이하 'EEA'라 명함)을 만들고, 여기에 적층 시 상하 단위 셀의 공기극과 연료극을 전기적으로 연결하고 각각의 전극에 연료 및 공기를 도입하기 위한 가스 체널들을 양면에 형성한 도전성의 금속 재료로 된 전기연결판 (Interconnector)를 끼워 단위 셀을 구성하게 된다. 이러한 평판형 방식에서는 'EEA' 층의 두께가 얇은 장점이 있으나 세라믹의 특성 상 두께의 균일도나 평판도를 조절하는 것이 어려워서 대형화가 쉽지 않고, 또한 단위 셀의 적층 (stacking)을 위해 EEA와 전기연결판을 번갈아 적층 시 유입 가스의 밀봉을 위해 셀 가장자리에 가스 밀봉재를 사용하게 된다. 그러나 밀봉 재료로 사용되는 유리(glass)계 재료의 연화 온도는 600℃정도부터 시작되지만 고체산화물 연료전지는 바람직한 효율을 얻기 위해서는 통상 800℃ 이상의 고온에서 작동되어져　밀봉제의 연화에 의한 가스누출의 위험도 높아 실용화하기에 아직 많은 기술적인 난관이 존재한다.
이러한 평판형 셀(cell)의 단점들을 보충하기 위해서 평관형(flat tube type) 지지체를 이용한 단위전지 및 스택 개발이 미국 특허 (US 6416897 및 US 6429051)에서 이루어지고 있다. 그러나 이 경우도 적층을 하기 위해서는 평관형 셀 외부에 공기 또는 연료극 가스를 도입시키기 위한 가스 유로와 전기적 연결을 위한 전기연결판이 추가로 사용된다. 이는 스택의 기계적 강도를 증가시키고 단위 전지 간 접촉면적을 넓혀 전력밀도를 증가시키지만, 전기연결판 재료가 금속인 특성상 고온 운전 시 세라믹 재질인 EEA층 사이에서 기계적,　열적 응력이 발생하는 문제점 등이 있다.
이러한 금속 전기연결판의 단점을 보충하기 위해, 단위 셀용 지지체 자체에 또는 지지체의 적층 시 두 종류의 가스의 체널이 형성되도록 하여 전기연결재의 가스 체널 기능을 생략시키고 박막화한 monolith형태의 단위 셀이 소개되고 있다.　 대표적인 것으로는 평관에 길이 방향으로 셀을 분할하여 전기적으로 직렬 연결시킨 평관분할형 (미국 특허　 5486428)의 monolith 형태로 제작된 단위 셀로 제작된 스택을 들 수 있다.　 그러나 이러한 셀들은 공기 유로를 형성하기 위해서는 공기 체널용 세라믹 판이 추가로 사용되어 져야하며 전기열결 및 가스도입부의 구조가 복잡하여 스택의 대형화가 쉽지 않다는 단점이 존재한다.
또한 지금까지의 연료전지용 스택들에서는 단위 셀들을 전기적으로 직렬로만 연결되는 방식들이 개발되었는데, 대한민국 특허출원 10-2008-10176호, 대한민국 특허출원 10-2008-30004호 등에 개시되어 있다. 이러한 방식은 특정 셀 하나의 성능이 나빠지면 바로 스택 전체의 성능이 똑같이 나빠지는 문제를 내포하고 있어서, 제작 상 또는 운전 상 모든 셀들이 완벽하게 만들어지고 작동해야만 하는 어려운 숙제를 안고 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 기존의 고체산화물 연료전지는 단위 셀들의 제작에 있어서 구조가 휘는 현상으로 인해 셀의　대면적화가 어렵고, 단위셀과 전기연결재의 이중 구조의 적층에 의한 열적 기계적 불일치 문제,　단위 셀들이 전기적으로 직렬로만 연결되어 스택 내 모든 단위 셀들이 완벽하게 제조되고 작동되어져야만 하는 제조 및 관리상의 어려운　문제점들을　해결할 수 있는 새로운 스택 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 해결하고자 하는 다른 과제는 상기와 같은 문제를 해결할 수 있는 새로운 단위 셀모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 상기와 같은 문제가 없는 고출력의 일체형 구조의 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 스택은 평관형 지지체의 외부면에 하나 이상의 단위셀이 형성되고, 전단면 및 외부면의 적어도 일부에 제1전극과 연결된 제1전기연결재가 형성되고, 후단면 및 외부면의 적어도 일부에 제2전극과 연결된 제2전기연결재가 형성된 단위 셀모듈을 외부면이 같은 극 끼리 연접되도록 적층하여 전기적으로 병렬연결된 단위 스택모듈을 제조하고, 상기 스택모듈의 전후면을 직렬 연결하여 직병렬 혼합식 고체산화물 연료전지용 일체형 스택을 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 평관형 지지체는 내부에 다수의 제1가스 흐름용 체널(이하 ‘제1가스체널’이라 함)들이 길이 방향으로 존재하는 평관 형태의 다공성의 구조체를 사용하며, 상기 구조체의 외부면에는 제2가스가 흐름용 체널(이하, '제2가스체널'이라 함)들이 형성된다.
본 발명에 있어서, 상기 제2가스체널은 외부면 중앙부, 즉, 외부면 양측 가장자리를 제외한 부분을 일정 깊이로 파내어 적층 시 평관형 구조체의 사이 사이에 제2가스체널을 형성시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 연료 전지의 전극들은 제2가스 체널의 표면, 바람직하게는 지지체의 중앙부 상부면 및 하부면에 형성되어 지지체의 전·후 단면 및 외부면의 양측에 형성되는 전기연결재에 연결된다.
본 발명에 있어서, 지지체의 외부면 중앙부에 형성된 제2가스 체널의 표면에는 제1가스용 전극층 (이하 “제1전극층” 이라 칭함), 전해질층 및 제2가스용 전극층 (이하 ‘제2전극층’으로 명함)으로 구성된 전극/전해질 조합 (EEA, Electrolyte-Electrode Assembly)으로 된 단위 셀이 하나 이상 형성된다.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 제2가스 체널에 1개의 단위셀을 형성하기 위해서는 제2 가스 체널에 제1전극층과 전해질층, 및 제2전극층을 피복하고, 제1전극층과 제2전극층을 각각 전기연결재에 연결되도록 피복하고, 전기연결재는 제2가스 체널부를 제외하고, 양끝의 전후 단면을 포함하여 외부면 전면이 포함되도록 피복할 수 있다.
본 발명의 다른 실시에 있어서, 상기 단위 셀이 복수 개로 형성된 경우 단위 셀 간 반대 극을 전기연결재로 반복 연결하되 최종적으로 양 끝 반대편에 제1전극층과 제2전극층을 노출시키고, 전기연결재에 연결되도록 피복하고, 전기연결재는 제2가스 체널부를 제외하고, 양끝의 전후 단면을 포함하여 외부면 전면이 포함되도록 피복할 수 있다.
발명의 일 실시에 있어서, 제2가스 체널에 상기 복수의 단위셀들을 형성하기 위해, 제1가스전극층, 전해질층, 제2가스전극층으로 이루어진 반응부(EEA, Electrolyte-Electrode-Assembly)를 길이 방향을 따라 일정한 간격을 두고 반복하여 형성하고 반응부 사이에서는 제1전극층과 제2전극층을 전기연결재층으로 연결하고, 제2가스체널의 일단에 형성된 반응부의 제1전극층과 타단에 형성된 반응부의 제2전극층을 지지체 전후 단면 및 외부면 양측에 형성된 전기연결재들에 각각 연결하도록 구성할 수 있다.
본 발명에 있어서, 단위셀이 단수 또는 복수 개로 형성된 상기 단위 셀모듈을 이용하여 스택을 제조함에 있어서, 먼저 셀모듈들을 단면 방향인 상하좌우 (X-Y) 방향으로 반복 적층하되 셀모듈 상의 같은 극 끼리 접촉되어져 모든 모듈들이 전기적으로 병렬 연결되어 반응 면적이 대면적화되는 단위 스택모듈을 제조하고 상기 스택모듈들을 길이 (Z) 방향으로 다시 반대 극 끼리 전기적으로 직렬 연결하면서 반복 적층하여 최종적으로 3차원적으로 적층된다. 최종 소결 과정을 거친 후 셀모듈들이 상호 접착 일체화되어 구조적으로 견고하고 전력 밀도가 높으면서도 적층 된 스택 내 셀 모듈들이 전기적으로 병렬 및 직렬 연결이 복합되어져 제조 및 운전 상 신뢰성이 높이며, 또한　스택으로의 가스 도입은 제1가스는 스택의 길이 방향 내부 체널들로 유입되고 제2가스는 스택의 길이 방향과 90도 각도로 적층된 평관 셀모듈 사이사이로 유입되어져 가스 밀봉문제나 혼입 문제가 없는 새로운 형태의 일체형 스택이 제공된다.
본 발명은 일 측면에 있어서, 연료전지용 스택이 평관 내부체널이 제1가스체널로 형성되고, 평관 외부면 중앙부에 형성된 홈이 제2가스체널로 형성된 지지체; 상기 제2가스 체널에 형성된 제1전극층, 전해질층, 제2전극층으로 이루어진 1 이상의 단위 셀을 가진 셀모듈; 상기 지지체의 전 단면 및 외부면 일부에 피복되어 셀모듈상의 일단의 제1전극층에 연결된 제1전기연결재; 및 상기 지지체의 후 단면 및 외부면 일부에 피복되어 셀모듈상의 타단의 제2전극층에 연결된 제2전기연결재를 포함하는 단위 셀모듈들이 입체적으로 적층된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 단위 셀모듈은 상하좌우로 적층되어지되 외부면 양측에 형성된 전기연결재들을 통해 서로 동일극들이 연결되어 전기적으로 병렬 연결된 단위 스택모듈을 형성하고, 전후면에 형성된 전기연결재들을 통해 서로 다른 극이 연결됨으로서 전기적으로 직렬 연결되어, 최종적으로 직병렬 혼합 방식의 연료전지용 일체형 스택을 이루게 된다.
본 발명은 일 측면에 있어서, 연료전지용 스택을 이루는 단위 셀모듈이 내부체널이 제1가스체널로 형성되고, 외부면 중앙부에 형성된 홈이 제2가스체널로 형성된 평관형 지지체에 상기 제2가스체널에 하나 이상의 단위셀이 형성되고, 상기 지지체의 전 단면 및 외부면 일측에 피복되어 단위셀에 연결된 제1전기연결재; 및 상기 지지체의 후 단면 및 외부면 일측에 피복되어 단위셀에 연결된 제2전기 연결재가 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 일체형 스택은 평관형 구조체의 외부 중앙부를 일정 깊이로 파내고 그 표면상에 전극/전해질/전기연결재층을 1개 이상 피복하여 형성시킨 셀 모듈들을　상하좌우 방향으로 적층하는 방법에 의해 전류 발생 면적이 증대된 스택모듈을 제작하고 상기 스택모듈들을 다시 길이 방향으로 적층하여 전압이 증대될 수 있는 최종적으로 3차원적으로 적층된 스택이 완성되며, 이렇게 제조된 스택은 셀 모듈들이 스택 내에서 상호 접착 일체화되어져 구조적으로 견고하고 전력 밀도가 높으면서도 전기적으로는 병렬 및 직렬의 복합 연결 구조로 되어 제조 상 또는 운전 상 스택의 기술 신뢰도가 높아지고, 또한 운전 시 제1가스는 스택 길이 방향으로 존재하는 평관구조체 내부 체널들로 유입 및 유출이 이루어지고 제2가스는 적층된 평관의 사이사이에 존재하는 외부 체널들로 스택 길이 방향과 90도 각도를 이루면서 유입 및 유출되어져 가스 밀봉이 쉽고 이종 가스의 혼입 문제가 없는 기술적으로 보다 진보된 새로운 형태의 스택을 설계, 제작 및 운전하는 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 내부 체널을 가지는 평관형 구조체의 외부면 중앙부를 일정 깊이로 파내어 만들어진 셀모듈 제조용 지지체를 도시한 입체도.
도 2는 본 발명에 따른 셀모듈 제조용 지지체의 파내어진 중앙부에 단위 셀을 형성시킨 길이 방향 절개도.
도 3은 본 발명에 따른 셀모듈 제조용 지지체의 파내어진 중앙부에 복수 개의 셀을 길이 방향으로 형성시킨 절개도.
도 4는 본 발명에 따른 도 3의 셀들을 적층하기 위해 전극층, 전해질층 및 전기연결재층을 피복하는 방법을 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀 모듈들을 상하좌우로 반복 적층하여 전기적으로 병렬 연결된 단위 스택모듈을 나타낸 입체도.
도 6은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 단위 스택모듈들이 길이 방향으로 적층된 일체형 스택을 나타낸 입체도.
도 7은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 스택과 가스 도입, 유출 및 전기 연결을 위한 장치부를 스택 길이 방향으로 절개한 부분을 나타낸 절개도.
도 8은 본 발명에 따른 도 7의 고체산화물 연료전지용 스택의 양끝 말단에 전기연결용 스택모듈을 추가로 적층하여 반응쳄버 및 가스 유입 및 유출용 쳄버를 장착한 길이 방향 절개도.
도 9는 본 발명에 따른 평관형 구조체로 제조된 단위 셀모듈을 상하좌우로 적층하여 도 8의 전기연결용 스택모듈을 제작하기 위한 단위 셀모듈의 제작 방법을 나타낸 평관형 구조체의 길이 방향 단면도.
도 10은 본 발명에 따른 스택 24개를 반응 쳄버 내에 적치하여 스택시스템을 대형화하는 방법을 보여주는 단면도로서, 길이 중간 부문 단면도.
도 11은 본 발명에 따른 스택 24개를 반응 쳄버 내에 적치하여 스택시스템을 대형화하는 방법을 보여주는 단면도로서, 제1가스 도입부의 스택 말단 단면도.
도 12는 본 발명에 따른 스택 24개를 반응 쳄버 내에 적치하여 스택시스템을 대형화하는 방법을 보여주는 단면도로서, 제1가스 유출부의 스택 말단 단면도.　
이하, 본 발명의 바람직한 실시에 대해 도면을 참조하여, 보다 상세히 설명한다. 그러나, 이는 예시적인 것이며, 어떠한 경우에도 본 발명의 범위를 한정하지는 것이 아니다.
본 발명에 이용되는 고체산화물 연료전지용 스택을 제조하기 위해 사용되는 평관형 구조체는 기체가 투과할 수 있는 고온에서 안정한 통상의 재료를 사용할 수 있다. 그 모양은 도 1에서 도시된 바와 같이, 납작한 직육면체의 형태를 하고 내부에 길이 방향으로 다수의 제1가스흐름용 체널(1)들이 존재하게 되며, 상기 구조체의 길이 방향 양끝 일부(4,5)를 제외한 중앙부(6)의 최소한 상하 2면을 적층시 제2가스체널이 형성되도록 일정 깊이로 파내어 지지체(101)를 완성하게 된다.　
파내어진 중앙부(6)는 상기 지지체(101)들을 길이 방향이 아닌 상하좌우 방향으로 적층 시 지지체 사이사이로 제2가스체널(7)들을 형성하게 되고 또한 상기 중앙부 표면에 형성시킨 전극 및 전해질로 된 단위 셀들의 불필요한 전기적 접촉에 의한 전기적 쇼트(shortage) 현상을 막아 준다.
상기 지지체(101)를 이용한 고체산화물 연료전지용 단위 셀모듈(102)의 제작은 지지체 상의 파내어진 중앙부의 표면에 전극, 전해질 및 전기연결재 층들을 길이 방향으로 적절히 박막 피복 후 소결 과정을 거쳐서 이루어지는데　도 2에서 보는 것처럼 하나의 단위 셀로 제작되어 질 수도 있으며, 도 3에서 보는 것처럼 복수 개의 단위 셀들로 제작될 수도 있다.
도 2에서는 도시된 바와 같이, 중앙부에는 제1전극층(71)과 전해질층(12)와 제2전극층(72)가 차례로 피복되어 하나의 단위셀을 형성하고, 제1전극층(71)은 상기 중앙부 외에도 외부면 일측까지 피복되고, 제2전극층(72)는 상기 중앙부 외에도 외부면 타측까지 피복되며, 외부면 일측에 피복된 제1전극층(71)과 외부면 타측에 피복된 제2전극층(72)위에 전기연결재층(73, 74)가 피복된다.
도 1 및 도 3에서 도시된 바와 같이, 복수의 단위 셀들은 길이 방향으로 각각 제1전극층(11),　전해질층(12), 제2전극층(13)의 순서로 박막 피복하여 이루어지며, 단위 셀 간의 반대극을 전기연결재로 연결하여 적층하고, 적층된 셀의 양끝 말단에 노출된 제1전극층(71)과 제2전극층(72)을 각각 전기연결재층(73,74)에 연결하되, 전기연결재층의 피복부위가 양끝 단면(2, 3)과 외부면 양측(4, 5)를 포함하도록 하여 상기 지지체(101)를 상하, 좌우, 또는 길이 방향으로 적층 시 외부측면(4,5) 또는 단면(2,3)을 통하여 셀 모듈 간 전기적 연결이 이루어지게 된다.
한편 도 3에서처럼 지지체 (101)의 외부면 중앙부(6)에 복수 개의 단위 셀을 형성시킬 때는 단위 셀 간 반대 극을 전기적으로 연결하고, 평관 내외부 간 이종 가스의 혼입을 막기 위해 전해질(12) 및 전기연결재 (19)를 사용한 치밀막의 구성이 필요하며 이러한 조건을 달성하기 위한　피복 방법이 도 3의 반복 피복 부분(M)을 확대하여 도 4에 나타나 있다.
도 4에서 보면 지지체 중앙부 표면상에서 이루어지는 첫 번째 피복 층(A)에는 제1가스전극층(11) 사이에 전해질층(12)을 끼워 넣어 전기적 접촉을 막고 그 위에 피복되는 두 번째 피복층(B)에는 전해질층(12) 사이에 전기연결재층(19)를 끼워 넣어 이 전기연결재층을 통해서 하부 A층과 상부 C층의 반대 전극 사이 전기 연결을 도모하게 한다.이때 하부 A층의 이종 재료 접촉 부위 (15)의 틈 사이로 제1가스가 새는 것을 막기 위해서 상부 B층의 이종 재료 간 접촉 부위가 하부 A층의 이종 재료 간 접촉 부위와 일치하지 않고 엇갈아 위치하도록 피복하는 것이 중요하다.
마지막으로 피복되는 층(C)에는 제2가스전극층(13) 사이에 전해질층 (12)을 끼워 넣어 피복하되 이종 재료 사이 접촉 부위 (16)가　하부 B층의 전기연결재층 (19) 중간 지점에 위치하도록 하여 전기 연결도 도모하고 C층의 전해질 및 제2전극층 접촉 부위(16) 틈 사이로 제2가스가 하부 B층으로 새는 것을 막을 수 있는 방법에 의해 복수 개의 단위 셀들이 직렬 적층된 단위 셀모듈(102) 제조용 전극, 전해질 및 전기연결재의 피복 방법을 제공한다.　　
상기에서 지지체 상에 도 2에서처럼 하나 또는 도 3에서처럼 복수 개의 단위 셀이 형성된 셀모듈들을 이용하여 최종적인 스택의 제작을 위해서는, 우선 상기 셀모듈들을 상하좌우 (X-Y) 방향으로 반복 적층하여 도 5에서처럼 단위 스택모듈 (105)을 제작하되, 셀모듈(102) 말단 전기연결재(4,5)의 같은 극 끼리 접촉되도록 적층시켜 셀모듈(102) 사이에 전기적으로 병렬 연결되게 함으로서 스택 내 반응면적을 대면적화시킬 수 있게 되고,　그 다음 상기 스택모듈(105)들을 길이(Z) 방향으로 말단 전기연결재(4,5)의 반대 극 끼리 연결되도록 적층하여 스택모듈 간에는 전기적으로 직렬 연결되게 하여, 스택의 전압을 증가시키는 방법에 의해 최종적으로 3차원적으로 적층된 스택(106)을 완성되게 된다. 이렇게 적층을 마친 스택은 기계적으로 적절히 압력을 가하면서 최종 소결과정을 거쳐서 모든 셀 모듈들끼리 전기연결재층을 통해서 전기적으로 연결되고 기계적으로 접착돼, 견고해진 일체형의 단일 구조체(monolith type)의 형태를 가지게 된다.　
참고로 도 6에 3차원적으로 적층한 스택 (106)의 입체도가 나타나 있으며 도 7에 n 개의 단위 스택모듈(105)들이 직렬 적층된 스택과 이 스택에 공급되는 가스와 전기를 뽑아내기 위한 부대 장치를 체결한 경우, 스택 길이 방향으로 절개한 단면도가 나타나 있다.　최종적으로 제작된 일체형 스택(106)은 내부에 절연체 (31)가 도포되고 양 끝이 open된 직육면체 형태의 하우징(32) 내에 장착되고 스택의 양 끝에 전기집전용 패드(33)를 장착한 후 제1가스를 스택 내 평관 지지체 내부 체널들로 공급 또는 배출하기 위한　배관(36)과 전기집전판(37)이 포함된 제1가스 유입용 및 배출용 쳄버(38)들을 하우징(32)과 체결하게 된다.　발생된 전기는 양쪽 전기집전판들(37) 사이에서 또는 전기집전판들과 연결된 쳄버들(38)사이에서　뽑아내게 되며, 이때 양쪽 쳄버 사이의 통전을 막기 위해 쳄버와 하우징 사이에 절연용 가스켓(39)을 삽입한 후 체결한다.　스택 내 제1가스의 공급은 평관의 길이 방향을 따라서, 도면상 왼쪽 쳄버(38) 안으로 공급함으로써 스택 내 단위 번들 상에 병렬 연결된 평관 셀모듈의 내부 체널들 (41)로 분산 유입되며 미 반응 가스는 최종 체널 출구 (42) 들을 통해 배출된다.　제2가스는 평관의 길이 방향에 직각 방향을 따라서 하우징(32) 좌우(도면상 전면 및 후면 방향)에 부착된 제2가스 공급 및 배출용 쳄버를 통해 스택 길이 방향과 90도의 각도로 공급된 후 적층된 평관 셀모듈 사이사이에 형성된 외부 체널(43)들을 통해 유입되고 배출되게 된다.　
고체산화물 연료전지는 스택이 대형화되면 반응열의 축적에 의해 스택 내부 특정 부위 (예로 중심부)의 온도가 증가하면서 생기는 열적 응력(thermal stress) 들이 세라믹 재질로 된 셀들에 악영향을 주어 대형화가 어려운 문제점이 따른다.
본 발명의 고체산화물 연료전지용 스택은 기계적으로 안정한 평관형 구조체들이 3차원적으로 밀착되고 일체형 단일구조체(monolith) 형태로 적층되어 구조적으로 다른 스택 모델에 비해 안정하다. 또한 제2가스를 공기를 사용할 경우 긴 길이 방향과 90도 각도를 이루고 유입할 수가 있어서, 필요 시 제2가스 공급용 쳄버를 길이 방향으로 분배하여 유량을 달리하여 유입함으로써 길이 방향 온도 구배를 평준화할 수 있는 장점이 있다.　
평관형(flat tube type)으로 제작되어지는 연료전지용 스택의 또 다른 장점의 하나는 유입되는 가스가 스택 끝에서 밀봉되기 때문 평판형(planer type)에 비해 밀봉이 쉽다는 것이다.　본 발명의 스택도 보다 바람직하게는 유입되는 제1가스의 스택 말단부에서의 밀봉을 보다 안전하게 하고 또한 두 가스 사이의 스택 내 반응 쳄버 경계면 상에서의 혼입 문제를 원천적으로 차단하기 위해,　도 8에서와 같이 스택 말단에 전기집전용 스택모듈을 추가하여 제작될 수도 있다. 도 8에서 사용된 전기집전용 말단 스택모듈은 도 9에서와 같이 제2가스 흐름용 외부 체널을 생성시키지 않은 본래의 평관 구조체(100) 외부면에 전해질층(12)과 전기연결재층(75)만 피복한　전기집전용 모듈(103)이나 또는 제1전극층 재질을 포함한 재료로 제조된 전기집전용 모듈을 제조하고, 이 모듈들을 반응용 셀 모듈들과 똑같이 상하좌우로 적층하여 제작하게 된다. 도 8에서 보듯이 상기 전기집전용 스택모듈을 스택의 양쪽 끝 음극부(108)와 양극부(109)에 추가로 장착을 하게 되면 고온의 반응 쳄버 부분(51) 밖에서 제1가스 도입부 또는 유출부의 밀봉을 체결하게 되어 밀봉이 쉽고,　또한 제1가스 도입(52) 및 배출용 쳄버(53)와 제2가스 도입 및 배출용 쳄버(51)(도면 상 앞뒤 부분에 존재)의 스택 내부에서의 경계면 상에서의 격리도 쉬워져 두 가스의 혼입도 완벽하게 방지할 수가 있다.　또한 필요 시 제1가스 쳄버(52, 53)들과　분리하여 전기집전체(54, 55)를 설치하고 전기를 빼낼 수가 있어서 다음에서 고안되어지는 스택 간 적층도 가능하게 한다.　　
상술한 바와 같이 본 발명의 스택은 3차원적 적층에 의한 대형과가 가능하고 스택의 길이 방향과 직각으로 도입되는 제2가스의 양을 길이 방향으로 적절히 분배하여 길이 방향 온도 구배를　제어하여 평준화 할 수가 있다는 장점을 제공한다.
그러나 상하좌우로 적층을 많이 하여 단위 스택모듈(105) 내 셀모듈(102) 수를 증가시키게 되면 최종 스택의 단면 방향으로도 부피가 증대되어 열 축적에 의한 스택 단면 중심부에서의 온도 증가가 나타날 수 있다. 따라서 바람직하게는 단면적의 크기를 될수록 적게 하는 것이 필요하나 이를 경우 병렬된 셀의 개수가 줄어들어 반응면적이 적어진다.　그러나 본 발명에서는 상기 단면적을 될수록 작게 유지하여 제작한 스택들도 제2가스가 도입되는 반응 쳄버 안에서 다시 상하 좌우로 평행하게　일정한 간격을 두고 반복 적치하는 방법에 의해 스택 내 온도 편차 문제를 피하면서도 스택을 전기적으로 병렬, 직렬, 또는 병렬 및 직렬을 혼합한 단위 스택의 조합에 의해 보다 대형화된 고체산화물 연료전지용 스택시스템을 제작할 수 있는 새롭고도 진보된 방법을 제공할 수가 있다.
일 예로 도 10 내지 12에서 단위 스택들이 반응 쳄버 상에서 병렬-직렬 복합으로 연결된 연료전지 스택시스템을 보여주고자 한다.　도 10은 반응 쳄버 안에서 총 24개의 스택(105)들이 상하 좌우로 일정한 간격을 두고 적층 된 스택시스템의 길이 방향 중간 부분의 단면을 절개한 것으로 스택들은 사각형의 하우징(81)에 장착되고 하우징 내부로 유입시킨 제2가스는 각각의 스택 내 적층된 평관 셀모듈 사이사이에 존재하는 외부 체널로 지나가게 된다. 이를 위해서 상하로 적층된 스택들 상의 공간은 절연체로 된 가스 밀봉재(82)로 채우는 방법에 의해 스택(105) 사이로 제2가스가 반응하지 않고 지나가는 것을 막아야 한다.　제2가스는 유입관 (82)이 부착된 유입용 쳄버(83)로 유입된 후 가스 분배용 grid(84)를 통해서 각각의 스택 내부에 적층되어 있는 평관 지지체로 된 셀모듈(102) 사이사이에 존재하는 외부체널(7)들을 지나가게 된다. 스택을 거친 가스는 최종적으로 유출용 쳄버(85)를 지나 배출관 (86)으로 모여서 배출된다.　도 11은 제1가스가 유입되는 쳄버 부분 내 스택의 말단 단면도를 나타내고, 도 12는 제1가스가 배출되는 쳄버 부분 내 스택의 말단 단면도를 나타낸다.　 도11의 단면도 상의 앞면 방향으로부터 도입 쳄버 (88)내로 유입된 제1가스는　상하좌우로 적층되어진 수많은 평관 셀모듈(102) 상의 내부 체널(1)들로 분산 유입되어 길이 방향으로 지나서 최종적으로 도 12의 스택 말단 부 내　제1가스 배출용 쳄버를 지나 배출된다. 여기서는 일 예로 4개의 스택 (a-d, e-h, h-k, l-o, p-s, 또는 t-w)들을 같은 전극 방향으로 적치하고 전기적으로 묶어서 병렬 연결된 스텍그룹을 형성하는 것을 보여주며, 그 다음 상기 4개로 된 스텍 그룹이 음극(91)과 양극(92)으로 극 방향을 번갈아 바꾸어 적치되어 스택그룹 간에는 전기적으로 직렬 연결되는 것을 보여준다.　구체적으로 병렬 연결된 스택그룹 a-d는 도 11에서 음극 말단이 되고 다시 도 12의 제1가스 배출 쳄버 쪽에서　스택그룹 a-d의 양극과 스택그룹 e-h의 음극이 직렬 연결된다.　그 다음 도 11의 제1가스 유입 쳄버 내에서 스택그룹 e-h의 양극과 스택그룹 i-l의 음극이, 도 12에서　스택그룹 i-l의 양극과 스택그룹 o-n의 음극이, 도 11에서 .스택그룹 o-n의 양극과 스택그룹 q-t의 음극이, 다시 도 12에서 스택그룹 q-t의 양극과 스택그룹 u-x의 음극이 연결되고, 최종적으로 도 11에서　스택그룹 u-x는 양극 말단을 제공하게 된다.　따라서 도 11에서 스택 그룹 a-d의 음극 말단과 스택 그룹 u-x의 양극 말단 사이에서 전기부하를 주어 전기를 뽑아 쓰게 되며, 총 24개의 스택이 4개는 병렬 연결되어 전류발생 면적을 증대시킬 수 있고 병렬 연결된 스택 그룹이 6번의 직렬 연결을 거치면서 전압을 높일 수가 있게　된다.　이상에서 보는 것처럼 본 발명에서 고안된 연료전지 시스템은 평관형 지지체를 사용하여 단위 셀모듈을 만들고 이를 3차원적으로 적층하여 전기적으로 병렬 및 직렬이 복합된 일체형 스택을 제조할 수 있으며, 또한 이러한 스택을 반응 쳄버 내 평행으로 다수 적치하여 다시 병렬, 직렬 또는 병렬 및 직렬을 복합한 형태의 스택시스템을 제작할 수가 있어서 원하는 데로 전류와 전압을 얻어낼 수가 있다는 장점이 있다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1. 고체산화물 연료전지용 평관형 구조체 내부 제1가스 흐름용 체널
2. 제1가스전극층에 연결된 전기연결재가 피복되어지는 평관형 구조체 길이 방향 말단 단면부
3. 제2가스전극층에 연결된 전기연결재가 피복되어지는 평관형 구조체 길이 방향 말단 단면부
4. 제1가스전극층에 연결된 전기연결재가 연장되어 피복되어지는 외부면 피복 부분
5. 제2가스전극층에 연결된 전기연결재가 연장되어 피복되어지는　　외부면 피복 부분
6. 평관형 구조체의 외부면에 제2가스 체널층 및 단위 셀을　형성시키기 위해 일정 깊이로 파내어 지는 부분
7. 평관형 구조체를 상하로 적층 시 생겨나는 제2가스 흐름용 체널부
8. 중앙부 (6)을 일정 깊이로 파내어 제조한 지지체를 적층 시　지지체 사이에 형성되는 냉각가스 흐름용 외부 체널부
11. 고체산화물 연료전지용 지지체의 외부 체널에 반복되어 피복되는　제1가스전극층
12. 고체산화물 연료전지용 지지체 외부 체널에 반복되어 피복되는　전해질층
13. 고체산화물 연료전지용 지지체 외부 체널에 반복되어 피복되는　제2가스전극층
15. 고체산화물 연료전지용 지지체 외부 체널에 피복　시 제1가스전극층과 전해질층 사이 경계면 연결부위
16. 고체산화물 연료전지용 지지체 외부 체널에 피복 시 제2가스전극층과 전해질층 사이 경계면 연결부위
19.　 고체산화물 연료전지용 지지체 외부 체널에 피복 시　전해질층 사이에 끼워져서 피복되는 전기연결재층　　
31. 하우징 내부에 도포된 전기절연층
32. 스택 내 상하좌우로 적층된 단위 셀모듈들을 고정시키기 위한　외부 사각 하우징
33.　스택 말단 단면의 전기집전을 위한. 전기집전용 페드
36.　제1가스 유입 및 유츨용 배관
37.　전기집전판
38.　제1가스 유입 및 유출용 쳄버
39.　절연용 가스켓
41.　스택 내 적층된 평관구조체 상의 제1가스 도입부의 내부 체널
42.　스택 내 적층된 평관구조체 상의 제1가스 유출부의 내부 체널
43.　스택 내 적층된 지지체 사이에 형성된 제2가스 유입 및 유출용　외부 체널
51.　스택 중앙부의 제2가스 유입, 유출 및 반응용 쳄버
52.　스택 말단의 제1가스 도입용 쳄버
53.　스택 말단의 제1가스 유출용 쳄버
54.　스택 말단의 음극 쪽 전기집전체
55.　스택 말단의 양극 쪽 전기집전체
71.　평관 지지체 말단에 피복된 제1가스전극층
72.　평관 지지체 말단에 피복된 제2가스전극층
73.　평관 지지체 말단 제1가스전극층과 연결 피복된 전기 연결재층
74.　평관 지지체 말단 제2가스전극층과 연결 피복된 전기 연결재층
81.　다수의 스택이 적치된 시스템의 외각 하우징
82.　상하로 적치된 스택 사이 제2가스 흐름을 막아주는 가스흐름　방지용 삽입층
83. 제2가스 도입용 쳄버
84. 제2가스 분배용 및 스택 고정용 그리드 판
85. 제2가스 배출용 쳄버
86. 제2가스 유입, 배출용 배관
87. 제2가스 반응로
88.　제1가스 유입, 배출용 쳄버
91. 스택의 음극 말단부
92. 스택의 양극 말단부
95.　스택 간 전기 연결재
96.　직렬 연결된 스택의 말단 음극부
97.　직렬 연결된 스택의 말단 양극부
100.　평관 구조체
101.　평관 구조체의 중앙부를 파내어 외부체널부를 형성시킨 지지체
102.　평관 지지체를 이용하여 제조된 고체산화물 연료전지용 셀 모듈
103.　평관 구조체를 이용하여 제조된 전기연결용 단위 셀
105.　셀모듈을 상하좌우 방향으로 적층한 스택모듈
106.　스택모듈을 길이 방향으로 적층한 스택

Claims (25)

  1. 평관형 지지체의 외부면에 하나 이상의 단위셀이 형성되고, 전 단면 및 외부면의 적어도 일부에 단위셀의 제1전극과 연결된 제1전기연결재가 형성되고, 후 단면 및 외부면의 적어도 일부에 단위셀의 제2전극과 연결된 제2전기연결재가 형성된 단위 셀모듈을 제조하는 단계; 및
    상기 전기연결재들이 연접되도록 단위 셀모듈들을 적층하는 단계
    를 포함하는 고체산화물 연료전지용 스택 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 평관형 지지체는 내부에 제1가스체널이 형성되고, 외부면 중앙부에 제2가스체널 및 단위셀이 형성되고, 외부면 양측에 전기연결재가 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 지지체 외부면의 중앙부를 일정 깊이로 파내고 적층하여 제2가스체널을 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 제조 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제2가스체널에 제1전극층, 전해질층, 및 제2전극층으로 이루어진 단위셀이 1개 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 단위 셀모듈은 외부면 양측에 형성된 전기연결재들을 통해 서로 동일극들이 연결되도록 적층되어 전기적으로 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 단위 셀모듈은 전후면에 형성된 전기연결재들을 통해 서로 다른 극이 연결되도록 적층되어 전기적으로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 제조 방법.
  7. 연료가스와 공기를 주입하여 전기화학적 산화반응을 일으켜 전기를 발생시키는 고체산화물 연료전지용 스택을 제작하는 방법에 있어서,
    내부에 제1가스 흐름용 체널들이 길이 방향으로 다수 존재하는 다공성의 평관 구조체의 길이 양 끝 일부분을 제외한 중앙부의 외부면을 일정한 깊이로 파내어 적층 시 구조체 사이사이에 제2가스 흐름용 외부 체널이 형성되는 지지체를 제조하는 단계;
    제2가스체널이 형성된 지지체 중앙부 표면에　제1가스전극층, 전해질층 및 제2가스전극층을 길이 방향으로 엇갈아 피복한 단위 셀을 복수 개　 일정한 간격을 두고 형성시킨 후 단위 셀들 사이 반대극을 전기연결재로 연결하고 최종적으로 양 끝 반대편에 노출된 제1가스 전극층과 제2가스 전극층을 전기연결재로 각각 연결 피복하되 피복부위를 제2가스 흐름용 체널부를 제외한 각각의 양끝 단면을 포함하는 외부면 전면이 포함되도록 피복하는 방법에 의해 단위 셀모듈을 제조하는 단계;
    상기 셀모듈들을 상하 또는 상하좌우 방향으로 반복 적층하여　 단위 스택모듈을 제작하고, 상기 스택모듈들을 길이 방향으로 반복 적층시켜 최종적으로 2차원적 또는 3차원적으로 적층된 스택을 제조하는 단계;
    를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1피복층에는 제1가스전극층 사이에 전해질층을 끼우고 제2피복층에는 전해질층에 전기연결재층을 끼우고 마지막으로 제3피복층에는 제2가스전극층에 전해질층을 끼워서 피복하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제2피복층의 전기연결재층은 제1피복층의 전해질과 제1가스전극층 접촉 부위 상에 위치하고 제3피복층의 전해질층과 제2가스전극층 사이 접촉 부위는 제2피복층의 전기연결재층 상에 위치하되 제1가스전극층과 제2가스전극층은 전기연결재층의 반대쪽에 놓이도록 피복하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서, 제1가스전극층과 제2가스전극층은 소결 후 다공성으로 되고 전해질과 전기연결재층은 기체가 투과하지 못하는 치밀막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 단위 셀모듈을 평관의 길이 방향이 아닌 상하 또는 좌우 방향으로 적층 시에는 전기적으로 병렬 연결이 되게 단위셀 모듈의 같은 극 끼리 접촉되도록 하여 단위 스택모듈을 제작하고,
    상기 단위 스택모듈들을 길이 방향으로 적층 시 전기적으로 직렬 연결되도록 번들 간 서로 반대극끼리 연결하여 적층하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
  12. 제7항에 있어서, 단위 셀모듈이 적층 된 스택을 기계적으로 가압한 상태에서 소결과정을 거쳐서 단위셀 모듈 간 단면 또는 외부면에 피복된 전기연결재층 사이에서 물리적으로 접합되도록 하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
  13. 제1가스체널이 평관형 구조체 내부에, 제2가스체널인 홈이 평관형 구조체 외부면 중앙부에 형성된 평관형 지지체; 상기 제2가스 체널에 형성된 제1전극층, 전해질층, 제2전극층으로 이루어진 1 이상의 단위셀; 상기 평관형 지지체의 전 단면 및 외부면 일측에 피복되어 제1전극에 연결된 제1전기연결재; 및 상기 지지체의 후 단면 및 외부면 타측에 피복되어 제2전극에 연결된 제2전기 연결재를 포함하는 단위 셀모듈이 적층된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍.
  14. 제13항에 있어서, 상기 단위 셀모듈이 외부면 및/또는 전후 단면이 연접되도록 적층되어 직병렬 혼합식 스텍을 형성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지용 스텍.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 제1가스는　내부체널을 따라 평관형 지지체의 길이 방향으로 흐르고, 제2가스는 적층 시 연결된 홈을 따라 제1가스와 직각 방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  16. 제13항에 있어서, 제2가스체널에는 제1 가스전극층, 전해질층, 및 제2 가스전극층이 형성되어 제1가스 전극층과 제2가스 전극층이 지지체의 전후 단면에 형성된 전기연결재에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  17. 제13항에 있어서, 제2 가스체널에는 제1가스전극층, 전해질층, 제2가스전극층으로 이루어진 반응부 (EEA, Electrolyte-Electrode-Assembly)를 길이 방향으로 일정한 간격을 두고 반복하여 형성하고 반응부 사이 제1전극층과 제2전극층을 전기연결재층으로 연결하고, 제2가스체널의 한쪽 말단에 형성된 제1전극층과 다른 쪽 말단에 형성된 제2전극층을 지지체 전후면에 형성된 전기연결재에 각각 연결하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  18. 제14항에 있어서, 스택의 전단 및/또는 후단에 집전용 스택모듈이 추가로 연결되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택.
  19. 제18항에 있어서, 상기 집전용 스택모듈은 평관형 구조체의 외부면 전면에 전해질층과 전기연결재층을 차례로 피복하여 제조된 집전용 지지체들을 상하 또는 상하좌우로 적층된 스택모듈인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지용 스텍.
  20. 제18항에 있어서, 상기 집전용 스택모듈은 제1전극재료를 함유하는 재료를 사용하여 제조되고 가스가 새지 않도록 하여 제조된 집전용 평관형 구조체들이 상하 또는 상하좌우로 적층된 스택모듈인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지용 스텍.
  21. 제13항, 제19항 또는 제20항 중 어느 한 항에 따른 고체산화물 연료전지용 스택이 장착된 하우징;
    상기 스택의 양끝에 장착된 전기집전용 패드;
    상기 스택 내 평관 지지체 내부 체널들로 제1가스를 공급 또는 배출하기 위한　배관과 전기집전판을 포함하는 제1가스용 챔버; 및
    상기 스택 내 외부 체널들로 제2가스를 공급 또는 배출하기 위한 배관이 형성된 제2가스 도입용 챔버가 형성되는 고체산화물 연료 전지 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 제2가스 도입용 챔버를 길이 방향으로 복수 개로 분할하여 길이 방향의 냉각가스 유량을 적절히 분배하여 공급함으로써 길이 방향의 온도 구배를 최소화 시키는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템.
  23. 제13항, 제19항 또는 제20항 중 어느 한 항에 따른 다수의 고체산화물 연료전지용 스택을 제2가스 반응 챔버 내에 상하 또는 상하 좌우로　일정한 간격을 두고 적치하되 스택의 양끝 말단부는 챔버 밖으로 나와 각각 제1가스 유입 및 유출용 챔버 내에 장착되어 스택들이 집적화되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택시스템 제작 방법.
  24. 제23항에 있어서, 같은 극 방향으로 적치된 스택들은 합해서 전기적으로 병렬 연결하고, 극을 반대로 하여 적치된 스택들은 반대극 끼리 차례로 연결하여 최종적으로 직렬 연결되도록 하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택시스템 제작 방법.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서, 상하 방향으로 적층된 스택은 평관형 셀모듈 사이 외부체널로만 가스를 유입하고 스택 사이로의 가스 유입을 방지하기 위해 스택 사이를 절연체의 가스 밀봉재로 밀봉하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택시스템 제작 방법.
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